在機器人領域，如果要使設計出的移動（dòng）機器人能夠完全自（zì）主地應對複雜、未知的環境，使機器人具備精（jīng）細的環境感知能力就顯得（dé）至關重要。激光雷（léi）達傳感（gǎn）器從最初（chū）提出就受到廣大研究人員的關注，經曆了飛速（sù）的發展（zhǎn），目前，已（yǐ）經基本實現了模塊化、小型（xíng）化，且由於其應用範圍廣並適合戶外未知（zhī）環境使用，在幫助機器人精細感（gǎn）知外（wài）部環境方麵逐步展現出巨（jù）大（dà）的（de）優勢，成為了移動機器人（rén）領域的傳感器明星（xīng）。不過，有個現實的問題，激光雷達傳感器（qì）通常都不便宜，且三維（wéi）激光雷達傳（chuán）感器要比二維（wéi）激（jī）光雷達傳感器（qì）貴出（chū）不少（shǎo），如果手頭隻有二維激光雷達，如何去感知三（sān）維環境？

解答:

        毫（háo）無疑問，針對二維（wéi）激光雷達，隻要想辦法將缺失的（de）維度通過其他方法補上，就能變相實現（xiàn）三維激光雷達的（de）效果。而事實上，這也正是大部分（fèn）三維激光雷達的實現原理。為此，了（le）解了如何通過二維激光雷達去（qù）感知（zhī）三維（wéi）環（huán）境，對（duì）今後（hòu）直（zhí）接使用三維（wéi）激光雷達也大有幫助。不過，需要預先指出的是激光雷達傳感器（qì）隻是眾多感知外部環境手段中的一種，為了（le）拓寬大家的眼界，同時（shí）也幫助大家加深理解，本文會先跟大家介紹一下當（dāng）前主流的環境感知手段（主要是非接觸式方式）。

        1、已有環（huán）境感知方法總結：

        非接觸式（shì）感知環境（jìng）基（jī）本上有兩大類方法：主動（dòng）式與（yǔ）被（bèi）動（dòng）式。二者的主要區別集中在觀測傳感器是（shì）否主動向環（huán）境（jìng）發出探測光。基於被動觀察環境的方（fāng）法的典型例子如立體視覺技術。要實現立體視覺，通常需（xū）要（yào）兩（liǎng）個及以上的攝像頭在不同的位置獲取（qǔ）環境圖像（xiàng），在攝像頭之間相對位置已知的（de）情況下分析不同攝像頭返回的圖像並（bìng）進行像素（sù）匹配，以（yǐ）此獲（huò）得場景的深度信息。整（zhěng）個過程類似於人的雙眼觀察並解釋（shì）場景中的物體（tǐ）遠近。典型的立體視覺相機（jī）及經立體視覺算法處理的場景深度圖像圖。

        主動式觀測環境的方法要求觀測傳感器能向環境中發出已知屬（shǔ）性的光掃描場景信息並接收來自場景中物體（tǐ）的反射光。這種（zhǒng）方法又可（kě）以被細分為光學三角測量法、結構光法及飛行時間法。有興趣（qù）的讀者可（kě）以自己去（qù）找各種（zhǒng）方（fāng）法對應的文獻做個詳細的了解，此處限於篇（piān）幅，不對每種方法詳細展開（kāi）討論，而是簡略（luè）地比較一下各個方法的特（tè）點並在此基礎上著重介紹一下激光雷達傳感器。

      （1）光學三角測量法

        使（shǐ）用三角形法通常需要將經過校準的激光發射器和接收攝像頭按一（yī）定的幾何關係布置（zhì）。該方（fāng）法的工作（zuò）原理是激光發射器（qì）先將已（yǐ）知的點狀或（huò）條狀圖樣模版投影到場景中（zhōng）的物體上，接（jiē）收攝像頭通過觀察投影模版並按一定的幾何關（guān）係解算，即可獲得場景中特定物體的遠近，如下圖所示。

        光學三角測量法最初提出開始就有不少針對此法的研究，大多集中在提高測試速度和（hé）測距可靠性方麵，例如有學者專門研究了大（dà）理石紋路表麵對光學三角測量（liàng）法可靠性的（de）影響，還有學者試圖通過空間-時域（yù）分析方法提高測距（jù）可靠性，並給出了光學三角測量法的誤差模（mó）型。然而，總（zǒng）體來看，這種方法仍存在擾動大，可靠性較低，測試範圍小的缺點。特別是當被測（cè）對象距離變遠、位置接近掃描範圍邊（biān）緣時傳感（gǎn）器返回的距離信息不確定性明顯增大。鑒於此（cǐ），光學（xué）三角測量法比較適合在室內、已知環境下（xià）使用。

      （2）結構光法

        結構（gòu）光法可以認為是光學三角測量法的推廣。與光學三角測量法一次僅照射場景中幾個點或條紋相（xiàng）比，結構（gòu）光法一次性向場景中投射致密的圖樣模版，傳感器對應的接收相機觀察到場景反射的圖樣後進行（háng）密集關（guān）聯運算，最終一次性確定出一大片場景深度信息。微軟（ruǎn）公（gōng）司推出的新一代Kinect體感（gǎn）設備，代表了該方法當前能達到的最（zuì）先進水平。

        結構光法最先提出後，就出現（xiàn）了大量致力於（yú）提高測（cè）試速度及魯棒性的研究。譬如有學者通過（guò）增（zēng）加相機數量（liàng）來提高立體視覺分析效（xiào）果；還有學者（zhě）則研究獲取最優致密模版的方法；最近的大的突破體現（xiàn）在使用動態規劃方法解決致密圖樣模版到深度圖（tú）像的匹配（pèi）問題，以及後續開發出結構光（guāng）視頻法實現了（le）對場景的三維重建。

        與（yǔ）光學三角測量法類（lèi）似，結構光法適用於室內已知環境的掃描。掃描距離受投射出的致密模版所限製，一般較小（即便是微軟的Kinect，要獲得較好的測試效果，最好將測（cè）試距離限定在4m範（fàn）圍內（nèi）），且測距精度隨距（jù）離的增大逐漸減（jiǎn）小。

      （3）飛行時間法

        這種方法一般可以通過聲學或光學（xué）原理（lǐ）來（lái）實現，考慮到聲學實現（xiàn）存在噪聲大，掃描點存在錐度角發散（sàn）等缺點（diǎn），本文（wén）主（zhǔ）要考慮基於激光的實現方式，而這種傳感器一般稱（chēng）為激光雷達（LADAR，取自LAser Detection And Ranging）。掃描時激光雷達會定向發出（chū）一（yī）束（shù）激光脈衝（或經調幅、調頻的激光束（shù）），通過光速及接收到反射信號的時間，即可測出環境中物體的距離。如果激光雷達一次性獲（huò）得許多距離點，那一般把這些距（jù）離點稱為三維點雲。與結構光法相比（bǐ），采用激（jī）光雷達測（cè）試精度（dù）要略低一些，但由於其測試（shì）周期短，測距範圍大，魯（lǔ）棒性較好，故（gù）而（ér）這種方法適用於戶外（wài），未知環（huán）境。目前，輪式機器人的研（yán）究中已經大量使用（yòng）激光雷達輔助機器人的避障導航，考（kǎo）慮到使用成本，一般二維激光（guāng）雷（léi）達使用（yòng）較多，如下圖。由於隻能掃描一個平麵，如果想用二維激光雷達獲取環境（jìng）三維點雲，則（zé）需要通過（guò）移動機器人或加（jiā）裝機械結構提供第三個維度的支持。

        激光雷達掃描時可以想象成將超聲波傳感器發出的聲波替換（huàn）為激光並高速回轉掃描，如此就能大概構建出附近的物體輪廓，這個過程非常像潛（qián）艇（tǐng）上使用聲納探測周圍物體（tǐ）。當然，由於激光雷達使用激（jī）光而不是聲波，它的探（tàn）測（cè）過程不僅極短，而且能彌補聲波廣角（jiǎo）發散的缺點（激光不易發散（sàn），錐度角很小）。激光雷達工作時會先在（zài）當前位置發出激光（guāng）並接收反射（shè）光束，解析得到距離信息，而後激光發射（shè）器會轉過一個角度分辨率對應的角度再（zài）次重複這（zhè）個過程。限於物理及機械（xiè）方麵的限製，激光雷達通常會（huì）有一部分“盲區”。使用激光雷達返回的數據通常可（kě）以描繪出一（yī）幅極坐標圖，極點位（wèi）於雷達掃描中心，0-360°整周圓由掃描區域及盲（máng）區組成。在掃描區域中激光雷達在每個角度分辨率對應位置解析出的距離值會被依次（cì）連接起來，這樣，通過極坐標表示就能非常直觀地看到周圍物體的輪廓，激光雷達掃（sǎo）描（miáo）範圍示（shì）意圖。

        激光雷達通（tōng）常有四個性能（néng）衡量（liàng）指標：測距分辨率、掃描頻率（有時也用掃描周期）、角度分辨率及（jí）可視範圍。測（cè）距分辨率衡量在（zài）一個給定的距離（lí）下測（cè）距的精確程度，通常與（yǔ）距（jù）離真實值相差在5-20mm；掃描頻率衡（héng）量激光雷達完成一次（cì）完整掃描的快慢，通常在10Hz及以（yǐ）上；角度分辨率直接決（jué）定激光雷達一次完整（zhěng）掃描能返回（huí）多少個樣本點（diǎn），對大多（duō）數（shù）激光雷達（dá）這個指標在500個點以上；可（kě）視範圍（wéi）指激光雷（léi）達完整（zhěng）掃描的廣角，可視範圍之外即為（wéi）盲（máng）區。激光雷達一般由固（gù）定的廠商生產，目前機器人領域使用最廣泛的激光雷達由德國的SICK公司和日本的Hokuyo生產。這些公司生產出的激光雷達在測距範圍、性能、功耗及成本（běn）上各異，基本能涵蓋一般（bān）的（de）使用需（xū）求。