Data PCB - Analisi pemodelan lidar 3D berdasarkan ZYNQ

Dalam pembangunan semula 3D, terdapat dua kaedah utama: penglihatan dan radar laser. Kaedah pengukuran jarak teknologi penglihatan berdasarkan segitiga. Julat maksimum adalah 5-8 m, yang tidak sesuai untuk ruang besar, dan kaedah ini sangat terkesan oleh cahaya. Sebaliknya, lidar boleh digunakan dalam julat lebih luas adegan. dalam pembangunan semula 3D

1.2 Medan aplikasi

Aplikasi pemodelan 3D sangat luas, seperti penghindaran masa sebenar dan rancangan laluan kenderaan udara tanpa kenderaan dan kenderaan tanpa pemandu. Pada masa yang sama, ia juga boleh disertai dengan penglihatan mesin, cetakan 3D dan teknologi lain. Ia juga aplikasi yang sangat bermakna dalam penyembahan dan pembangunan semula relik budaya. Sistem pemodelan radar laser 3D berdasarkan ZYNQ yang direka masa ini boleh masuk ke dalam persekitaran sasaran, mengumpulkan awan titik, membina semula model ruang 3D, ukuran dan aplikasi penglihatan mesin lain.

1.3 Ciri-ciri teknikal utama

Pertama-tama, sistem menggunakan algoritma icp dalam pangkalan data awan titik pcl, yang boleh mengulang data yang dikembalikan oleh lidar untuk banyak kali untuk mencapai pendaftaran yang tepat.

Kedua, sistem membawa PCB radar laser pada trolley roda gandum, menghantar kedudukan dan maklumat kelajuan trolley dalam masa sebenar melalui gyroscope trolley dan pengekod motor, dan mendapatkan kedudukan tepat pada masa sebenar radar laser melalui transformasi sistem koordinat.

Rancangan ini boleh melakukan pembangunan semula 3D pada masa sebenar untuk objek dalam dengan jarak 1~5 m dan kurang kawasan buta, dan tidak mudah disentuh oleh cahaya. Lidar dipasang pada kereta yang kawal jauh dan boleh digunakan untuk mengawasi persekitaran yang tidak boleh dicapai oleh orang.

1.4 Penunjuk prestasi kunci

1.5 Titik inovasi utama

(1) Troli boleh dikawal jauh melalui aplikasi bimbit;

(2) Algoritma berdasarkan perpustakaan awan titik PCL;

(3) Pendaftaran data masa sebenar boleh dicapai melalui algoritma Icp;

(4) Guna modul PL pynq untuk mempercepat algoritma icp dengan HLS.

Huraian Komposisi Sistem dan Fungsi Bahagian II

2.1 Perkenalan umum

Sistem ini terdiri dari radar laser, trolley roda gandum berdasarkan STM32 dan Xilinx PYNQ-Z2. Radar laser menghantar data awan titik yang dikumpulkan ke PYNQ-Z2 melalui port Internet, dan trolley McLun dilengkapi dengan pengekod motor, giroskop dan modul Bluetooth. Pemimpin dan pergerakan boleh dikawal oleh program Bluetooth telefon bimbit. Semasa pergerakan, maklumat pemindahan dan sikap dihantar ke pengendali mikro STM32, dan maklumat ini dihantar ke PYNQ-Z2 melalui protokol UART STM32. ZYNQ menghitung ofset pergerakan dan sikap radar laser mengikut maklumat pergerakan dan sikap. ZYNQ membahagi data awan titik dengan algoritma ICP mengikut ofset sikap dan maklumat kedudukan, dan kemudian menghantar data melalui port rangkaian.

Dalam rancangan ini, kami menggunakan kereta kecil yang dilengkapi dengan radar laser untuk melakukan pengimbasan bimbit, dan mengumpulkan maklumat kiri, kanan dan atas untuk pembangunan semula.

2.2 Perkenalan ke setiap modul

2.2.1 R-Fans-16 lidar

Dalam sistem ini, radar navigasi R-Fans-16 digunakan untuk memperoleh lidar, yang menyadari pengesan imej 3D melalui pengimbasan 16 baris 360 °. Berdasarkan teknologi pengukuran isyarat echo laser dengan ketepatan tinggi, R-Fans-16 mempunyai ciri-ciri teknik seperti julat pengukuran panjang (kemampuan pengesan hingga 200m), ketepatan pengukuran tinggi (ketepatan jangkauan lebih baik dari 2cm), intensiti echo akurat (intensiti echo refleksi sasaran hingga 8 bit), dan memberikan pertimbangan kepada penutupan sudut dan resolusi sudut dalam arah pitch. Apabila menjalankan lidar, data awan titik-masa sebenar dihantar ke PYNQ-Z2 melalui port rangkaian.

2.2.2 Troli roda biji berdasarkan STM32

Troli roda gandum dilengkapi dengan mikrokomputer cip tunggal STM32. Dalam eksperimen ini, giroskop, pengekod dan Bluetooth di troli digunakan. Gyroscope dan pengekod motor di troli menghantar data ke mikrokomputer cip tunggal STM32 melalui protokol SPI. Mikro komputer cip tunggal menghitung sikap trolli dan kelajuan ban, dan kemudian menggunakan protokol UART untuk menghantar siklus data ke ZYNQ dalam masa nyata pada kadar 115200 baud. Gerakan dan pemandu kereta dikawal jauh oleh Bluetooth.

2.2.3 Penukaran sistem koordinat

Radar navigasi R-Fans-16 digunakan dalam rancangan ini. Data yang ia kumpulkan berdasarkan sistem koordinat sendiri. Intinya pembangunan semula 3D adalah untuk menukar data dalam sistem koordinat radar laser ke sistem koordinat mutlak geodetik, iaitu, sistem koordinat sferik ke sistem koordinat segiempat.

Sistem koordinat sferikal adalah jenis sistem yang menggunakan koordinat sferikal (r, θＴϴï¼) Sistem koordinat ortogonal tiga-dimensi yang mewakili kedudukan titik P dalam ruang tiga-dimensi. Seperti yang dipaparkan dalam Figur 2.2.1, "jarak radial" antara asal dan titik P adalah r, dan "sudut kutub" Antara garis dari asal ke titik P dan paksi z positif ialah θï¼[UNK] The "azimuth" between the projection line from the origin to point P on the xy plane and the x axis is Ï[UNK]ã[UNK][UNK]

Formula antara sistem koordinat sferik dan sistem koordinat segiempat diubah seperti berikut:

Dalam rancangan ini, koordinat pada permulaan kereta diambil sebagai asal koordinat sistem koordinat mutlak. Kemudian, semasa siklus data lidar, sistem koordinat sub ditetapkan dengan lidar sebagai asal koordinat, dan defleksi pemindahan lidar dibawah sistem koordinat mutlak awal direkam.

Arah bagi tiga paksi koordinat xyz konsisten dengan arah sistem koordinat radar laser. Dengan bantuan pengekod motor, kelajuan bergerak dan arah arah arah atas atas radar laser boleh diukur, dan terjemahan antara sistem koordinat radar laser dan koordinat mutlak boleh diketahui; Sudut sikap radar laser boleh diukur melalui giroskop untuk mengetahui putaran antara sistem koordinat radar laser dan sistem koordinat mutlak. Dengan bantuan dua nilai yang diukur di atas dan formula konversi antara sistem koordinat sferik dan sistem koordinat segiempat, titik dalam sistem koordinat radar laser boleh dipetakan ke sistem koordinat mutlak geodetik.

2.2.4 Pendaftaran awan titik (algoritma ICP)

Pendaftaran algoritma ICP sepadan dengan set titik di bawah dua sistem koordinat berbeza dengan ciri-ciri geometrik mereka. Ia diperlukan untuk menyelesaikan matriks pengubahan tubuh yang ketat dan matriks terjemahan diantara titik sasaran ditetapkan dan titik rujukan ditetapkan, dan menggunakan matriks pengubahan tubuh yang ketat untuk bertindak pada titik sasaran ditetapkan untuk membuat kedua-dua set titik bertentangan sebanyak mungkin. Untuk titik sasaran ditetapkan P dan titik rujukan ditetapkan Q, formula penukaran ialah:

Persamaan di atas tidak sentiasa benar, jadi kita perlu minimumkan fungsi objektif

Kaedah umum untuk menyelesaikan R dan T adalah SVD dan optimasi bukan linear. Kaedah SVD digunakan dalam desain ini.

Masalah algoritma ICP biasanya diubah ke masalah penyelesaian optimal sekurang-kurangnya kuasa dua, dan keseluruhan masalah dibahagi kepada dua bahagian. Bahagian pertama adalah asas dan input bahagian kedua. Bahagian pertama dipanggil pendaftaran kasar atau pendaftaran global. Pendaftaran kasar adalah untuk mendapatkan hasil kebetulan kira-kira diantara set titik dengan mengira kedudukan dan posisi diantara dua set titik, supaya menyediakan nilai awal yang sesuai untuk pendaftaran tepat berikutnya. Bahagian kedua dipanggil pendaftaran tepat atau pendaftaran tempatan. Untuk dua set titik yang cukup dekat satu sama lain, strategi pengoptimasi berulang digunakan untuk mencapai hasil pendaftaran akhir.

Parameter Penyempurnaan dan Kelayakan Bahagian III

3.1 Umum

Sistem ini telah menyelesaikan penagihan awan titik radar laser, penagihan maklumat sikap gyroscope dan pengekod. Design PS-PL yang digunakan oleh ZYNQ, cip kawalan papan pembangunan PYNQ-Z2, meningkatkan kemudahan dan kemudahan desain sistem, dan mengurangkan kesukaran desain sistem. Design master-slave PS-PL menjaga kesederhanaan desain sistem sambil memperbaiki kelajuan berjalan dan kapasitas pemprosesan sistem. Design inti PL IP sangat mempercepat pengiraan algoritma. Bahagian pemisahan awan titik bagi rancangan ini dipercepat oleh inti IP pada hujung PL, yang meningkatkan kesan pemisahan dan berjaya menyadari fungsi pembangunan semula 3D masa nyata.

3.2 Selesai

Di koridor dalam, kami meletakkan baris meja dan pemadam api, dengan dinding dan tetingkap di kedua-dua sisi.

Setiap 200 bingkai dikumpulkan sebagai kumpulan data dan disimpan dalam fail pcd. Imej asal yang dijana oleh setiap kumpulan data dipaparkan dalam Figur 3.2.2. Sisi kanan imej adalah sisi di mana jadual ditempatkan. Perincian atas dan kaki meja meja boleh dilihat. Sisi bawah sebelah kiri ialah pemadam api yang ditempatkan.

Pendaftaran Icp dilakukan untuk setiap dua kumpulan awan titik bersebelahan untuk mendapatkan model tiga dimensi lengkap kereta melewati koridor.

Awan titik kecil di sebelah kanan gambar adalah laser yang diprojekt dari tetingkap di koridor ke luar dan dikembalikan. Jika kedua-dua sisi koridor adalah dinding, model 3D lengkap boleh dikembalikan.

3.3 Parameter prestasi

Semakin panjang jarak, semakin rendah resolusi. Ralat pengukuran lebar dan kedalaman objek dalam julat pengesan efektif bergantung pada kestabilan peralatan (di sini rujuk kepada darjah gelisah radar laser). Ralat pengukuran lebar adalah dalam 2cm, ralat pengukuran objek bersandar ialah 6cm, dan ralat sudut bersandar ialah 4 °. Troli itu sendiri akan bergetar sedikit semasa pengukuran, jadi hasilnya mempunyai ralat tertentu.