PCB Блог - Анализ трехмерного моделирования лазерной РЛС на основе ZYNQ

внутри 3D Реконструкция, Есть два основных способа: визуальный и лазерный радар.. Метод измерения расстояния визуальной технологии основан на триангуляции.. Максимальная дальность 5 - 8 м, Это не для большого пространства., Этот метод сильно зависит от света.. напротив, Лазерные радары можно использовать в более широком спектре сценариев.. внутри 3D Реконструкция

1.2 Области применения

3D - моделирование имеет широкий спектр применений, таких как предотвращение препятствий и планирование маршрутов в режиме реального времени для беспилотных летательных аппаратов и беспилотных транспортных средств. В то же время он также может быть интегрирован с машинным зрением, 3D - печатью и другими технологиями. Он также имеет большое значение для воспроизведения и восстановления культурных реликвий. Разработанная на основе ZYNQ трехмерная система моделирования лазерного радара может проникать в целевую среду, собирать точечные облака, восстанавливать трехмерные пространственные модели, измерения и другие приложения машинного зрения.

1.3 Основные технические характеристики

Во - первых, система использует алгоритм ICP в базе данных PCL Point Cloud, который позволяет многократно итерировать данные, возвращаемые лазерным радаром, для достижения точной калибровки.

Следующий, Системы переносятся Лазерная РЛС PCB На колесной тележке., Передача информации о местоположении и скорости автомобиля в режиме реального времени с помощью гироскопа и электрокодера, Точное определение местоположения лазерной РЛС в реальном времени с помощью преобразования системы координат.

Конструкция позволяет в реальном времени трехмерно реконструировать внутренние объекты на расстоянии от 1 до 5 м и с меньшим количеством слепых зон, которые не подвержены воздействию света. Лазерный радар, установленный на дистанционно управляемом автомобиле, может использоваться для обнаружения среды, недоступной для людей.

1.4 Ключевые показатели достижения результатов

1.5 Основные нововведения

(1) Автомобиль может управляться дистанционно с помощью мобильного приложения;

(2) Алгоритм основан на облачной библиотеке точек PCL;

(3) Регистрация данных в реальном времени может быть реализована с помощью алгоритма Icp;

(4) Используйте PL - модуль Pynq для ускорения алгоритма ICP HLS.

Часть II. Состав и функциональное описание системы

2.1 Общее введение

Эта система состоит из лазерного радара, колесного автомобиля на базе STM32 и Xilinx PYNQ - Z2. Лазерный радар передает собранные точечные облачные данные в PYNQ - Z1 через интернет - порт, а автомобиль McLun оснащен электрокодером, гироскопом и модулем Bluetooth. Рулевое управление и перемещение можно контролировать с помощью программы Bluetooth мобильного телефона. Во время движения информация о смещении и положении передается на микроконтроллер STM32, который передается на PYNQ - Z2 через протокол UART STM32. В зависимости от смещения информации о положении и местоположении ZYNQ соединяет облачные данные с точками с помощью алгоритма ICP, а затем передает данные через сетевой порт.

В этой конструкции мы используем небольшой автомобиль с лазерным радаром для мобильного сканирования и сбора информации слева, справа и сверху для реконструкции.

2.2 Краткое описание модулей

2.2.1 Лазерная РЛС R - Fans - 16

В этой системе навигационная РЛС R - Fans - 16 используется для лазерного радиолокационного сбора и 3D - обнаружения изображений с помощью 16 - проводного сканирования на 360°. R - Fans - 16 основан на высокоточной технологии измерения лазерных эхо - сигналов, имеет технические характеристики, такие как длина измерения (способность обнаружения до 200 м), высокая точность измерения (точность измерения расстояния лучше 2 см), точность интенсивности эха (сила отражения цели до 8 бит) и т. Д., С учетом углового покрытия и углового разрешения направления тангажа. При запуске лазерного радара облачные данные в режиме реального времени передаются в PYNQ - Z2 через сетевой порт.

2.2.2 Колесные машины на базе STM32

Автомобиль оснащается монолитной машиной STM32. В этом эксперименте использовались гироскопы, кодеры и Bluetooth на тележке. Гироскопы и электрические кодеры в автомобиле передают данные на STM32 с помощью протокола SPI. Индивидуальная машина вычисляет положение автомобиля и скорость шины, а затем использует протокол UART для отправки цикла данных ZYNQ в режиме реального времени со скоростью 115 200 портов. Движение и рулевое управление автомобиля дистанционно контролируется Bluetooth.

2.2.3 Преобразование системы координат

В проекте используется навигационная РЛС R - Fans - 16. Собранные данные основаны на собственной системе координат. Суть трехмерной реконструкции заключается в преобразовании данных из системы координат лазерной РЛС в систему абсолютных координат Земли, то есть сферическую систему координат в систему прямоугольных координат.

Сферическая система координат представляет собой трехмерную ортогональную систему координат, в которой используются сферические координаты (r, uæ \) для обозначения положения точки P в трехмерном пространстве. Как показано на рисунке 2.2.1, "радиальное расстояние" между точкой происхождения и точкой P составляет r, а "полярный угол" - Расстояние между прямой линией от исходной точки до точки P и положительной z - осью составляет четверть. Прямая от исходной точки до точки P на плоскости xy между проекционной линией и осью x

Формула между сферическими и прямоугольными системами координат преобразуется следующим образом:

В этой конструкции координаты отправной точки автомобиля используются в качестве исходных координат системы абсолютных координат. Затем в течение цикла данных лазерной РЛС создается подсистема координат с использованием лазерной РЛС в качестве исходной точки координат и регистрируется смещение лазерной РЛС в начальной абсолютной системе координат.

Направление трех осей координат Xyz совпадает с направлением системы координат лазерной РЛС. С помощью кодера двигателя можно измерить скорость и направление движения горизонтальной поверхности лазерного радара и узнать сдвиг между системой координат лазерного радара и абсолютными координатами; Угол положения лазерного радара можно измерить с помощью гироскопа, чтобы понять вращение между системой координат лазерного радара и системой абсолютных координат. С помощью этих двух измерений и формулы преобразования между сферической и прямоугольной системами координат точки в системе координат лазера могут быть отображены в системе абсолютных координат Земли.

2.2.4 Точечная облачная калибровка (алгоритм ICP)

Калибровка алгоритма ICP - это сопоставление наборов точек в двух разных системах координат с их геометрическими характеристиками. Необходимо решить матрицу преобразования жесткого тела и матрицу сдвига между набором целевых точек и набором опорных точек и использовать матрицу преобразования жесткого тела для действия на набор целевых точек, чтобы два набора точек совпадали, насколько это возможно. Для набора точек назначения P и набора точек отсчета Q формула преобразования выглядит следующим образом:

Эти уравнения не всегда верны, поэтому мы должны минимизировать функцию цели

Обычными методами решения R и T являются SVD и нелинейная оптимизация. При проектировании используется метод SVD.

Проблема алгоритма ICP обычно преобразуется в задачу оптимального решения наименьшего квадрата, и вся проблема делится на две части. Первая часть - основа и ввод второй части. Первая часть называется приблизительной регистрацией или глобальной регистрацией. Общая калибровка - это результат сходства между наборами точек путем вычисления положения и положения между двумя наборами точек, обеспечивая тем самым правильное начальное значение для следующей точной калибровки. Вторая часть называется точной регистрацией или местной регистрацией. Для двух наборов точек, которые достаточно близки друг к другу, для получения окончательных результатов настройки используется стратегия итеративной оптимизации.

Часть III.

3.1 Общий обзор

Система завершила сбор точечного облака лазерной РЛС, сбор информации о положении гироскопа и кодера. Дизайн PS - PL, используемый в чипе управления панелью разработки PYNQ - Z2 ZYNQ, значительно повышает удобство и осуществимость проектирования системы и снижает сложность проектирования системы. Конструкция PS - PL обеспечивает простоту проектирования системы, одновременно повышая скорость работы и пропускную способность системы. Конструкция ядра PLIP значительно ускоряет вычисления алгоритма. Компонент точечного облачного сращивания конструкции ускоряется IP - ядром на конце PL, что повышает эффект сращивания и успешно реализует функцию 3D - реконструкции в реальном времени.

3.2 Завершение строительства

В коридоре мы поставили ряд столов и огнетушитель с стенами и окнами с обеих сторон.

Каждые 200 кадров собираются как набор данных и хранятся в файлах pcd. Исходное изображение, генерируемое каждым набором данных, показано на рисунке 3.2.2. Правая сторона изображения - сторона таблицы. Можно увидеть детали рабочего стола и подножия стола. Внизу слева находится огнетушитель.

Для каждой из двух соседних точечных облачных групп выполняется регистрация Icp, чтобы получить полную трехмерную модель автомобиля, проходящего через коридор.

Дискретное облако с маленькой точкой справа - это лазер, который проецируется наружу из окна коридора и возвращается обратно. Если обе стороны дороги являются стенами, можно вернуться к полной трехмерной модели.

3.3 Параметры производительности

Чем длиннее расстояние, тем ниже разрешение, погрешность измерения ширины и глубины объекта в пределах эффективного диапазона обнаружения зависит от стабильности устройства (здесь речь идет о степени дрожания лазерного радара). Ошибка измерения ширины в пределах 2 см, ошибка измерения наклонного объекта - 6 см, ошибка угла наклона - 4 °. Сама тележка слегка колеблется во время измерения, поэтому в результате есть некоторая ошибка.