PCB 블로그 - ZYNQ 기반 레이저 레이더 3D 모델링 분석

3차원 재건에는 주로 두 가지 방법이 있는데 그것이 바로 시각과 레이저 레이더이다.시각 기술의 거리 측정 방법은 삼각 측정에 기초한 것이다.최대 범위는 5-8m로 넓은 공간에 적합하지 않으며 광선의 영향을 많이 받습니다.이에 비해 레이저 레이더는 더 광범위한 장면에 사용될 수 있다.3D 재구축 중

1.2 응용 분야

드론과 무인 자동차의 실시간 장애물 회피 및 경로 계획과 같은 3D 모델링의 응용은 매우 광범위합니다.이와 동시에 기계시각, 3D프린팅 등 기술과 결합할수 있다.그것은 문물의 복제와 재건에서도 매우 의미 있는 응용이다.이번에 설계된 ZYNQ 기반 레이저 레이더 3차원 모델링 시스템은 목표 환경에 깊이 들어가 포인트 클라우드를 수집하고 3차원 공간 모델을 재건하며 측정 등 기계 시각 응용을 할 수 있다.

1.3 주요 기술 특징

우선, 이 시스템은 pcl 포인트 클라우드 데이터베이스의 icp 알고리즘을 사용하여 레이저 레이더가 반환하는 데이터를 여러 번 반복하여 정확한 조준을 실현할 수 있다.

둘째, 시스템은 레이저 레이더 PCB를 밀 바퀴 소형차에 탑재하여 소형차 자이로스코프와 모터 인코더를 통해 소형차의 위치와 속도 정보를 실시간으로 전송하고, 좌표계 변환을 통해 레이저 레이더의 실시간 정밀 위치를 얻는다.

이 설계는 1∼5m 거리에 사각지대가 작은 실내 물체를 실시간으로 3차원으로 재구성할 수 있어 빛에 쉽게 영향을 받지 않는다.레이저 레이더는 원격 조종 자동차에 장착되어 사람들이 들어갈 수 없는 환경을 조사하는 데 사용할 수 있다.

1.4 주요 성과 지표

1.5 주요 혁신점

(1) 승용차는 휴대전화 앱을 통해 원격으로 제어할 수 있다.

(2) 이 알고리즘은 PCL 포인트 클라우드 라이브러리를 기반으로 한다;

(3) Icp 알고리즘을 통해 실시간 데이터 등록을 실현할 수 있다;

(4) pynq의 PL 모듈을 이용하여 HLS를 이용하여 icp 알고리즘을 가속화한다.

2부 시스템 구성 및 기능 설명

2.1 전체 소개

이 시스템은 레이저 레이더, STM32형 밀바퀴식 대차, 셀링스 PYNQ-Z2로 구성되어 있다.레이저 레이더는 인터넷 포트를 통해 수집된 포인트 클라우드 데이터를 PYNQ-Z2로 전송하며, McLun 승용차는 모터 인코더, 자이로스코프, 블루투스 모듈을 갖추고 있다.방향 전환과 이동은 휴대전화 블루투스 프로그램을 통해 제어할 수 있다.이동 중에 변위 및 자세 정보는 STM32 마이크로컨트롤러로 전송되며 UART 프로토콜 STM32를 통해 PYNQ-Z2로 전송됩니다.ZYNQ는 변위와 자세 정보에 따라 레이저 레이더의 변위와 자세 편이를 계산한다.ZYNQ는 자세와 위치 정보의 오프셋에 따라 점 클라우드 데이터를 ICP 알고리즘에 연결한 다음 네트워크 포트를 통해 데이터를 전송합니다.

이 설계에서 우리는 레이저 레이더를 장착한 소형 자동차를 사용하여 이동 스캔을 하고 왼쪽, 오른쪽 및 상단 정보를 수집하여 재구성합니다.

2.2 각 모듈 소개

2.2.1 R-Fans-16 레이저 레이더

이 시스템은 R-Fans-16 항법 레이더로 레이저 레이더를 수집하여 16선 360 ° 스캔을 통해 3차원 탐지 영상을 구현한다.R-Fans-16은 고정밀 레이저 회파 신호 측정 기술을 기반으로 측정 범위 길이 (측정 능력 200미터 도달), 측정 정밀도 높이 (거리 측정 정밀도 2센티미터 이상), 회파 강도 정밀도 (목표 반사 회파 강도 8비트 도달), 푸시업 방향 각도 커버와 각 해상도 모두 고려하는 기술 특징을 가지고 있다.레이저 레이더를 실행할 때 실시간 포인트 클라우드 데이터는 네트워크 포트를 통해 PYNQ-Z2로 전송됩니다.

2.2.2 STM32 기반 밀 휠 트럭

밀 바퀴식 대차는 STM32 단편기를 사용한다.이 실험에서는 승용차의 자이로스코프, 인코더, 블루투스를 사용했다.소형차의 자이로스코프와 모터 인코더는 SPI 프로토콜을 통해 데이터를 STM32 단편기로 전송한다.단편기는 소형차의 자세와 타이어 속도를 계산한 다음 UART 프로토콜을 사용하여 115200 포터율로 ZYNQ에 실시간으로 데이터 주기를 보낸다.자동차의 움직임과 방향은 Bluetooth에 의해 원격으로 제어됩니다.

2.2.3 좌표계 변환

이번 설계는 R-Fans-16 항법 레이더를 채택했다.수집된 데이터는 자체 좌표계를 기반으로 합니다.3차원 재건의 본질은 레이저 레이더 좌표계의 데이터를 대지 측정 절대 좌표계로 변환하여 구면 좌표계를 직각 좌표계로 변환하는 것이다.

구면 좌표계는 구면 좌표(r,ï¼啲1/4을 사용하여 3D 공간에서 점 P의 위치를 나타내는 3D 직교 좌표계입니다. 그림 2.2.1과 같이 원점과 점 P 사이의'레이디얼 거리'는 r이고,'극각'은 r입니다.원점에서 P점까지의 선과 양의 Z축 사이의 방위각은 Y평면에서 원점에서 P점까지의 선의 투영선과 x축 사이의

구 좌표계와 직각 좌표계 사이의 공식 변환은 다음과 같습니다.

이 설계에서는 자동차의 시작점에 있는 좌표를 절대 좌표계의 좌표 원점으로 사용합니다.그 후 레이저 레이더 데이터 주기에서 레이저 레이더를 좌표 원점으로 하위 좌표계를 만들고 초기 절대 좌표계 아래에서 레이저 레이더의 변위 편향을 기록한다.

xyz의 세 좌표축의 방향은 레이저 레이더 좌표계의 방향과 일치한다.모터의 인코더를 이용하여 레이저 레이더의 수평면의 이동 속도와 방향을 측정할 수 있으며 레이저 레이더 좌표계와 절대 좌표 사이의 평행 이동을 알 수 있다;자이로스코프를 통해 레이저 레이더의 자세각을 측정하여 레이저 레이더 좌표계와 절대 좌표계 사이의 회전을 알 수 있다.위에서 측정한 두 값과 구면 좌표계와 직각 좌표계 사이의 변환 공식을 사용하여 레이저 레이더 좌표계의 점을 대지 절대 좌표계에 매핑할 수 있습니다.

2.2.4 포인트 클라우드 표준(ICP 알고리즘)

ICP 알고리즘 조준은 두 개의 서로 다른 좌표계 아래의 점 집합을 기하학적 특징과 일치시키는 것이다.대상 점 세트와 참조 점 세트 사이의 강체 변환 및 변환 행렬을 해결하고 강체 변환 행렬을 사용하여 목표 점 세트에 작용하여 두 점 세트가 가능한 한 일치하도록 해야 합니다.대상 점 세트 P 및 참조 점 세트 Q의 경우 변환 공식은 다음과 같습니다.

위의 등식은 항상 정확하지 않으므로 우리는 목표 함수를 최소화해야 한다

R 및 T를 해결하는 일반적인 방법은 SVD 및 비선형 최적화입니다.이 설계는 SVD 방법을 사용합니다.

ICP 알고리즘 문제는 일반적으로 최소 2 곱하기 최적 해결 문제로 전환되며 전체 문제는 두 부분으로 나뉩니다.첫 번째 부분은 두 번째 부분의 기초와 입력이다.첫 번째 부분은 대략적인 등록 또는 글로벌 등록이라고 합니다.황삭 조준은 두 점 집합 사이의 위치와 자세를 계산하여 점 집합 사이의 근사한 재결합 결과를 얻어 다음 정밀 조준에 적합한 초기 값을 제공하는 것이다.두 번째 부분은 정확한 등록 또는 로컬 등록이라고 합니다.서로 충분히 가까운 두 개의 점 세트에 대해 반복 최적화 정책을 사용하여 최종 조준 결과를 얻습니다.

섹션 3 구현 및 성능 매개변수

3.1 개요

이 시스템은 레이저 레이더의 포인트 클라우드 수집, 자이로스코프, 인코더의 자세 정보 수집을 완료했다.PYNQ-Z2 개발판 제어칩인 ZYNQ는 PS-PL 설계로 시스템 설계의 편의성과 타당성을 크게 높이고 시스템 설계의 난이도를 낮췄다.PS-PL 마스터 디자인은 시스템 설계의 단순성을 유지하면서 시스템 작동 속도와 처리 능력을 향상시킵니다.PL IP 코어는 알고리즘의 컴퓨팅 속도를 크게 향상시키도록 설계되었습니다.이 디자인의 포인트 클라우드 접합 부분은 PL 끝의 IP 코어에 의해 가속화되어 접합 효과를 향상시켰으며 실시간 3D 재구성 기능을 성공적으로 구현했습니다.

3.2 준공

실내 복도에 우리는 책상과 소화기를 늘어놓았는데, 양쪽은 모두 벽과 창문이었다.

프레임 200개당 데이터 세트가 수집되어 pcd 파일에 저장됩니다.각 데이터 세트의 원본 이미지는 그림 3.2.2와 같습니다.이미지의 오른쪽은 테이블을 배치하는 측면입니다.책상과 책상 밑의 디테일을 볼 수 있습니다.왼쪽 아래쪽은 설치된 소화기다.

복도를 통과하는 자동차의 완전한 3D 모델을 얻기 위해 인접한 두 개의 점 구름 그룹에 Icp를 지정합니다.

사진 오른쪽의 이산 소점 구름은 복도의 창문에서 밖으로 투사되어 돌아오는 레이저이다.도로의 양쪽이 벽이면 완전한 3D 모델로 돌아갈 수 있습니다.

3.3 성능 매개변수

거리가 길수록 해상도는 낮아진다. 유효 탐지 범위 내 물체의 폭과 깊이의 측정 오차는 장비의 안정성에 따라 달라진다(여기서 레이저 레이더의 떨림 정도를 말한다).너비의 측정오차는 2cm이내이고 경사물체의 측정오차는 6cm이며 경사각도의 오차는 4°이다.측정 과정에서 승용차 자체가 약간 떨리기 때문에 측정 결과에 일정한 오차가 있다.