技术领域
[0001] 本实用新型属于计算机视觉技术领域，具体涉及一种基于单线激光雷达与PCL点云库的三维重建系统，可用于城市三维重建。
相关背景技术
[0002] 随着现代化城市的建设，城市规划、旧城改造、数字城市、建筑设计等领域，对三维重建产生了巨大的需求。然而传统的三维重建手段存在很多的不足。现有公开了一种三维重建系统，其包括第一校准标靶、摄像装置、投影装置和计算机，摄像装置和投影装置均与计算机电连接，第一校准标靶、摄像装置和投影装置均设置于工作台上，且摄像装置与第一校准标靶对应，第一校准标靶上设置有第一矩形框和第二矩形框，且第一矩形框和第二矩形框均与工作台垂直，通过第一校准标靶对三维重建系统进行校准。该重建系统能对物体进行三维重建，但重建精度较低。
[0003] 随着微传感器技术、机电控制技术、数字图像数据处理技术的发展和提高，激光雷达开始在空间探测、无人驾驶等方面应用。激光雷达是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而目标进行探测、跟踪和识别。其具有极高的距离分辨率、角分辨率和速度分辨率；探测精度高；探测范围广；抗干扰能力强；获取的信息量丰富，可直接获取目标的距离、角度、反射强度、速度等信息；能全天时工作，不依赖于外界光照条件或目标本身的辐射特性。
[0004] 激光雷达分为单线激光雷达与多线激光雷达。单线激光雷达价格较低，但其只有一条扫描线，仅能得到一条线上的深度信息，采集的数据量较小，所以仅能进行二维建模。多线激光雷达与单线激光雷达相比，可以得到多条线上的深度信息，采集数据量大，可以进行三维建模，但价格昂贵，不能广泛应用。
实用新型内容
[0005] 本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于单线激光雷达与PCL点云库的三维重建系统，用于解决现有三维重建系统中存在的重建精度较低与重建价格过高的问题。
[0006] 本实用新型采用以下技术方案：
[0007] 一种基于单线激光雷达与PCL点云库的三维重建系统，包括空间探测单元和点云数据处理单元，空间探测单元用于对空间进行探测并生成点云数据，空间探测单元通过无线方式与点云数据处理单元连接，用于将点云数据发送至点云数据处理单元，点云数据处理单元用于根据接收到的数据进行三维重建。
[0008] 具体的，空间探测单元包括转台和单线激光雷达，单线激光雷达设置在转台上，且单线激光雷达的旋转面法向量与转台的旋转面法向量垂直。
[0009] 进一步的，单线激光雷达包括激光测距单元和旋转单元，旋转单元设置在转台上，激光测距单元设置在旋转单元上，旋转单元的旋转圆心与转台的旋转轴重合。
[0010] 进一步的，激光测距单元采用功率＜5mW的红外发射激光器作为发射光源，并通过调制脉冲方式驱动，测距动作＞2000次/秒。
[0011] 进一步的，旋转单元由转速300r/min的无刷电机驱动。
[0012] 具体的，转台为电动水平转台，与12V直流减速电机连接用于驱动，电机减速比为1:300，电机转速为1500r/min，转台的水平转动范围为360°。
[0013] 具体的，点云数据处理单元包括设置有PCL点云库的PC机，PC机上设置有2.4GHz无线单元用于和空间探测单元上设置的2.4GHz无线单元无线连接。
[0014] 与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：
[0015] 本实用新型由于空间探测单元采用的是激光雷达加转台的结构，能够得到具有极高精度的点云数据，还具有探测范围广、抗干扰能力强、不依赖于外界光照条件的特点。与现有技术相比，提高了三维建模的精度。
[0016] 进一步的，空间探测单元由转台和单线激光雷达组成，且线激光雷达的旋转面法向量与转台的旋转面法向量垂直，使得激光测距单元可以在空间内的任意方向上进行探测，采用单线激光雷达有效降低了系统的成本。
[0017] 进一步的，单线激光雷达包括激光测距单元和旋转单元，且旋转单元的旋转圆心与转台的旋转轴重合，使得激光测距单元在空间内始终围绕着旋转圆心和旋转轴的交点在旋转，保证了激光测距单元在空间内不同方向探测的一致性。
[0018] 进一步的，激光测距单元采用低功率红外发射激光器，测距动作＞2000次/秒，因而可以确保对人类及宠物的安全性，可以达到Class I级别的激光器安全标准。
[0019] 进一步的，转台为360°电动水平转台，由12V直流减速电机驱动，电机减速比为1:300，电机转速为1500r/min，转台转速为5r/min，较低的转速，使得单线激光雷达可以在转台的一个旋转周期(旋转一周)内探测到足够多的点。
[0020] 进一步的，由于点云数据处理单元采用的是PCL(点云库)，所以能够对点云数据进行滤波、分割、配准、检索、特征提取、曲面重建、可视化处理，提高了三维重建的效果。
[0021] 综上所述，本实用新型三维重建系统重建精度较高，成本较低，可应用于城市三维重建。
[0022] 下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施方式
[0025] 本实用新型提供了一种基于单线激光雷达与PCL点云库的三维重建系统，用于解决现有三维重建系统中存在的重建精度低，重建成本高的问题；包括依次相连的空间探测单元、点云数据处理单元；空间探测单元包括单线激光雷达和转台，单线激光雷达转动方向与转台转动方向垂直；点云数据处理单元采用PC，通过PCL(点云库)对点云数据处理，通过决策程序对重建精度进行决策分析。
[0026] 请参阅图1，本实用新型公开了一种基于单线激光雷达与PCL点云库的三维重建系统，包括空间探测单元和点云数据处理单元，空间探测单元通过无线方式与点云数据处理单元连接，空间探测单元用于对空间进行探测并将生成点云数据发送至点云数据处理单元。
[0027] 空间探测单元包括单线激光雷达和转台，单线激光雷达分为激光测距核心和使得激光测距核心高速旋转的机械部分。
[0028] 激光测距核心采用低功率(功率＜5mW)的红外发射激光器作为发射光源，采用激光三角测距技术，并采用调制脉冲方式驱动，测距动作＞2000次/秒。
[0029] 机械部分采用无刷电机带动激光测距核心进行转动，转速300r/min。转台采用12V直流减速电机，减速比1:300，电机转速1500r/min，电机功率25W。
[0030] 单线激光雷达的旋转圆心要与转台的旋转轴重合，并且单线激光雷达旋转面的法向量与转台旋转面的法向量垂直。
[0031] 点云数据处理单元包括PC机，PC机通过PCL(点云库)对点云数据处理，通过决策程序对重建精度进行决策分析。
[0032] 空间探测单元与点云数据处理单元通过2.4GHz无线单元进行数据传输，空间探测单元与点云数据处理单元各设置有一个2.4GHz无线单元，与各自的串口相连接。
[0033] 请参阅图2，本实用新型基于单线激光雷达与PCL点云库的三维重建系统的工作过程具体如下：
[0034] S1、重建系统的PC机下达起始命令，空间探测单元中的单线激光雷达与转台同时开始转动，当转台旋转360°时，完成了对周围空间的一次探测，得到相应的点云文件；
[0035] S2、然后将探测的数据通过2.4GHz无线单元传输到PC机，PC机对接收到的点云文件进行可用性判断，对点云文件中单线激光雷达的转速数据计算方差，若方差大于设定值，则判定数据不可用；
[0036] S201、如果数据不可用，则重新采集点云数据；
[0037] S202、如果数据可用，则调用PCL(点云库)对点云数据进行滤波、配准、检索、特征提取、曲面重建、可视化处理。
[0038] 调用libpcl I/O单元，读入点云数据；
[0039] 调用libpcl filters单元，使用双边滤波算法去除点云数据中的离群点；
[0040] 调用libpcl register单元，使用ICP(最近点迭代算法)实现点云配准；
[0041] 再次调用libpcl filters单元，对点云数据进行特征提取；
[0042] 调用libpcl surface单元，使用最小二乘法对点云进行平滑处理，再在平面模型上提取凸(凹)多边形，最后对有向点云进行三角化；
[0043] 调用pcl viewer单元，将处理后的点云数据显示在PC机的屏幕上。
[0044] S3、步骤S2完成后即完成了一次三维重建，通过决策程序对重建结果进行精度判断；
[0045] 如果重建精度不足，则再一次进行三维重建，将两次得到的重建结果进行叠加处理，重新对重建精度进行判断。
[0046] 如果重建精度足够，则保存重建结果。
[0047] 以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。
