Blog de PCB - Análisis de modelado tridimensional del radar láser basado en zynq

En el En el interiorterior Reconstrucción 3D, Hay dos métodos principales: visión y radar láser. El método de medición de distancia de la tecnología visual se basa en la triangulación.. El alcance máximo es de 5 - 8 m, Esto no es adecuado para grandes espacios, Este método se ve muy afectado por la luz.. Por el contrario, El LIDAR se puede utilizar en escenarios más amplios. in Reconstrucción 3D

1.2 Áreas de aplicación

El modelado 3D tiene una amplia gama de aplicaciones, como la evitación de obstáculos en tiempo real y la planificación de rutas para drones y vehículos sin conductor. Al mismo tiempo, también se puede integrar con visión artificial, Impresión 3D y otras tecnologías. También es una aplicación muy significativa en la reproducción y reconstrucción de reliquias culturales. El sistema de modelado tridimensional de radar láser basado en zynq diseñado en esta ocasión puede profundizar en el entorno objetivo, capturar nubes puntuales, reconstruir modelos espaciales tridimensionales, medir y otras aplicaciones de visión artificial.

1.3 principales características técnicas

En primer lugar, el sistema utiliza el algoritmo ICP en la base de datos de nube de puntos pcl, que puede iterar los datos devueltos por el radar láser muchas veces para lograr un registro preciso.

En segundo lugar, El sistema lleva Radar láser PCB En el carrito de la rueda de trigo, La información de ubicación y velocidad del automóvil se transmite en tiempo real a través del giroscopio del automóvil y el codificador del motor., Posicionamiento preciso en tiempo real del radar láser a través de la transformación del sistema de coordenadas.

El diseño puede reconstruir tridimensionales en tiempo real objetos interiores con una distancia de 1 a 5 m y menos puntos ciegos, y no es fácil verse afectado por la luz. El radar láser está instalado en un automóvil controlado a distancia y se puede utilizar para detectar entornos inaccesibles para las personas.

1.4 Indicadores clave de desempeño

1.5 principales puntos de innovación

(1) el coche se puede controlar remotamente a través de la aplicación móvil;

(2) el algoritmo se basa en la biblioteca en la nube de puntos pcl;

(3) el registro de datos en tiempo real se puede realizar a través del algoritmo ipc;

(4) utilice el módulo PL de pynq para acelerar el algoritmo ICP con hls.

Parte 2 Composición del sistema y descripción funcional

2.1 introducción general

El sistema consta de un lidar, un Wheeler basado en stm32 y Xilinx pynq - z2. el LIDAR transmite los datos de la nube de puntos recopilados a pynq - Z1 a través de un puerto de internet, y el mclun está equipado con un codificador de motor, un giroscopio y un módulo bluetooth. La dirección y el movimiento se pueden controlar a través del programa Bluetooth del teléfono móvil. Durante el movimiento, la información de desplazamiento y actitud se transmite al Microcontrolador STM 32, que se transmite al pynq - z2 a través del Protocolo uart STM 32. zynq calcula el desplazamiento y el desplazamiento de actitud del radar láser a partir de los datos de desplazamiento y actitud. De acuerdo con el desplazamiento de la información de postura y ubicación, zynq empalma los datos de la nube de puntos con un algoritmo ICP y luego transmite los datos a través del puerto de red.

En este diseño, utilizamos un pequeño automóvil equipado con un radar láser para realizar un escaneo móvil y recopilar información izquierda, derecha y superior para la reconstrucción.

2.2 Introducción a cada módulo

2.2.1 radar láser R - fanáticos - 16

En este sistema, el radar de navegación R - fans - 16 se utiliza para la adquisición de radar láser, y la imagen de detección 3D se realiza a través del escaneo de 360 ° de 16 líneas. Basado en la tecnología de medición de señal de eco láser de alta precisión, R - fans - 16 tiene las características técnicas de larga distancia de medición (capacidad de detección de hasta 200 m), alta precisión de medición (precisión de medición superior a 2 cm), intensidad precisa de eco (intensidad de eco reflejada del objetivo hasta 8 bits), y tiene en cuenta la Cobertura angular y la resolución angular de la dirección de inclinación. Cuando se ejecuta el radar láser, los datos de la nube puntual en tiempo real se transmiten a pynq - z2 a través del puerto de red.

2.2.2 ruedas de trigo basadas en stm32

El camión de ruedas de trigo está equipado con un solo chip stm32. En este experimento se utilizaron giroscopios, codificadores y Bluetooth en el coche. El giroscopio y el codificador del motor en el coche transmiten los datos al chip stm32 a través del Protocolo spi. El microcomputador de un solo chip calcula la postura del coche y la velocidad del neumático, y luego utiliza el Protocolo uart para enviar el ciclo de datos a zynq en tiempo real a una tasa de 115.200 baudios. El Movimiento y la dirección del automóvil están controlados de forma remota por bluetooth.

2.2.3 conversión del sistema de coordenadas

El radar de navegación R - fans - 16 se utiliza en este diseño. Los datos que recoge se basan en su propio sistema de coordenadas. La esencia de la reconstrucción tridimensional es convertir los datos en el sistema de coordenadas del radar láser en el sistema de coordenadas absolutas de la tierra, es decir, el sistema de Coordenadas esféricas en el sistema de coordenadas rectangulares.

El sistema de Coordenadas esféricas es un sistema de coordenadas ortonormales tridimensionales que utiliza Coordenadas esféricas (r, uï, uï) para indicar la posición del punto P en el espacio tridimensional. como se muestra en la figura 2.2.1, la "distancia radial" entre el origen y el punto P es R y el "ángulo polar" es La distancia entre la línea recta desde el origen hasta el punto P y el eje Z positivo es de 188. el "azimut" entre la línea de proyección y el eje X de la línea recta desde el origen hasta el punto P en el plano XY es

La conversión de la fórmula entre el sistema de Coordenadas esféricas y el sistema de coordenadas rectangulares es la siguiente:

En este diseño, las coordenadas del punto de partida del automóvil se toman como el origen de las coordenadas del sistema de coordenadas absolutas. Posteriormente, en el ciclo de datos del radar láser, se establece un sistema de coordenadas hijo con el radar láser como origen de coordenadas y se registra el desplazamiento y la desviación del radar láser bajo el sistema de coordenadas absolutas iniciales.

La Dirección de los tres ejes de coordenadas de XYZ es consistente con la dirección del sistema de coordenadas del radar láser. Con la ayuda del codificador del motor, se puede medir la velocidad y la dirección del movimiento del plano horizontal del radar láser, y se puede conocer la traducción entre el sistema de coordenadas del radar láser y las coordenadas absolutas; El ángulo de actitud del radar láser se puede medir a través del giroscopio para comprender la rotación entre el sistema de coordenadas del radar láser y el sistema de coordenadas absolutas. Con la ayuda de las dos mediciones anteriores y la fórmula de conversión entre el sistema de Coordenadas esféricas y el sistema de coordenadas rectangulares, los puntos en el sistema de coordenadas del radar láser se pueden mapear al sistema de coordenadas absolutas de la tierra.

Registro en la nube de 2.2.4 puntos (algoritmo icp)

El registro del algoritmo ICP consiste en emparejar el conjunto de puntos bajo dos sistemas de coordenadas diferentes con sus características geométricas. Es necesario resolver la matriz de transformación del cuerpo rígido y la matriz de traducción entre el conjunto de puntos objetivo y el conjunto de puntos de referencia, y utilizar la matriz de transformación del cuerpo rígido para actuar sobre el conjunto de puntos objetivo, de modo que los dos conjuntos de puntos coincidan en la medida de lo posible. Para el conjunto de puntos objetivo P y el conjunto de puntos de referencia q, la fórmula de conversión es:

La ecuación anterior no siempre es correcta, por lo que debemos minimizar la función objetivo

Los métodos comunes para resolver R y T son SVD y optimización no lineal. Este diseño adopta el método svd.

El problema del algoritmo ICP generalmente se traduce en el problema de la solución óptima de mínimos cuadrados, y todo el problema se divide en dos partes. La primera parte es la base y la entrada de la segunda parte. La primera parte se llama registro aproximado o registro global. El registro grueso obtiene un resultado aproximado de coincidencia entre los conjuntos de puntos calculando la posición y la postura entre los dos conjuntos de puntos, proporcionando así un valor inicial adecuado para el próximo registro preciso. La segunda parte se llama registro preciso o registro local. Para dos conjuntos de puntos lo suficientemente cercanos entre sí, se utiliza una estrategia de optimización iterativa para obtener el resultado final de registro.

Parte 3 finalización y parámetros de rendimiento

3.1 Resumen

El sistema completa la adquisición de nube puntual del radar láser, la adquisición de información de actitud del giroscopio y el codificador. El diseño ps - PL adoptado por el chip de control zynq del tablero de desarrollo pynq - z2 mejora en gran medida la conveniencia y viabilidad del diseño del sistema y reduce la dificultad del diseño del sistema. El diseño maestro y esclavo de PS - PL mantiene la simplicidad del diseño del sistema, al tiempo que mejora la velocidad de funcionamiento y la capacidad de procesamiento del sistema. El diseño del núcleo plip ha acelerado considerablemente la velocidad de cálculo del algoritmo. La parte de empalme en la nube de puntos diseñada se acelera por el núcleo IP del extremo pl, lo que mejora el efecto de empalme y realiza con éxito la función de reconstrucción 3D en tiempo real.

3.2 finalización

En el pasillo interior colocamos una fila de mesas y un extintor de incendios, con paredes y ventanas a ambos lados.

Cada 200 cuadros se recopilan y almacenan en un archivo PCD como un conjunto de datos. Las imágenes originales generadas por cada conjunto de datos se muestran en la figura 3.2.2. el lado derecho de la imagen es el lado donde se coloca la tabla. Se pueden ver detalles de la Mesa y los pies de la Mesa. En la parte inferior izquierda se encuentra el extintor de incendios colocado.

El registro IPC se realiza para cada uno de los dos grupos adyacentes de nubes puntuales para obtener un modelo tridimensional completo del vehículo que pasa por el pasillo.

La nube de puntos discretos a la derecha de la imagen es un láser proyectado desde la ventana del pasillo hacia el exterior y que Regresa. Si la carretera está flanqueada por paredes, se puede devolver el modelo tridimensional completo.

3.3 parámetros de rendimiento

Cuanto más larga sea la distancia, menor será la resolución, y el error de medición del ancho y la profundidad del objeto dentro del rango de detección efectivo depende de la estabilidad del equipo (aquí se refiere al grado de temblor del radar láser). El error de medición del ancho está dentro de 2 cm, el error de medición del objeto inclinado es de 6 cm y el error del ángulo de inclinación es de 4 °. El propio coche temblará ligeramente durante el proceso de medición, por lo que hay un cierto error en los resultados.