立体视觉的虚拟激光测距仪设计(附件)【字数：16680】
摘 要摘 要基于立体视觉的激光测距仪是现测量领域的热点研究之一，在零件复制、地形勘查、人工智能和扫描空间等多个方面得到广泛的应用。激光测距技术具有被动性与非接触性的优点，当应用于工业生产检测中时，此技术可以产生巨大的效益，例如激光测距系统的精度高、速度快，而且测量范围也更加广，不仅可以测长度，还能够测量角度与面积等。本题旨在利用ROS平台搭建SLAM的环境、使用Gazebo软件进行模拟仿真，设计出基于立体视觉的激光测距仪，在计算机内模拟仿真现实情况，实现了对物体的距离测量、扫描平面进行二维地图的创建以及实现平面监控的功能。该激光测距系统可以分为运动模块、地图创建模块和Rviz地图输出模块三大部分。本课题设计的激光测距仪通过创建仿真环境的二维地图，实现了其对物体各属性的测量功能，测量数据包括距离、角度与面积等。同时，测距系统的视觉传感器采用价格较低的Kinect摄像头，可以在实际的应用中得到推广。关键词立体视觉；激光测距仪；ROS；GAZEBO；SLAM；
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 论文主要研究内容与组织结构 2
1.2.1 主要研究内容 2
1.2.2 设计步骤 4
1.2.3 章节安排 4
1.3 本章小结 4
第二章 ROS仿真环境介绍 5
2.1 ROS仿真环境 5
2.1.1 ROS的历史与现状 5
2.1.2 ROS的目标和特点 5
2.1.3 ROS的系统基本概念 6
2.1.4 Gazebo 8
2.2 本章小结 8
第三章 立体视觉基本理论 9
3.1 相机的成像模型以及基本理论 9
3.1.1 成像系统的坐标系 9
3.1.2 线性成像模型 11
3.1.3 非线性成像模型 12
3.2 Kinect 3D相机 14
3.2.1 Kinect3D相机原理介绍 14
3.2.2 Kinect深度摄像机在本课题中的应用 17
3.3 本章小结 17
第四章 基于立体视觉的虚拟 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
激光测距仪系统设计 18
4.1 结构总体设计 18
4.2 各个部分设计介绍 19
4.2.1 运动模块设计 19
4.2.2 地图创建模块设计 23
4.2.3 Rviz地图输出模块设计 25
4.3 本章小结 27
第五章 仿真实验 28
5.1实验环境 28
5.2实验流程 28
5.2.1 仿真环境搭建 29
5.2.2 测距仪在仿真环境中运行并进行绘图 30
5.3 实验结果 31
5.4 本章小结 33
结 论 34
参考文献 35
致 谢 37
第一章 绪论
1.1 研究背景
视觉、嗅觉、听觉、触觉等感官是人类认识世界的手段，经研究表明，人类从外界获取的信息中，有超过80%是通过视觉感官获得的。由此可见，视觉是对人类是多么重要，它是人类认识世界的重要通道，如果没有视觉，人类所能获取的信息量将大大降低。通过视觉认知事物是一个复杂的过程，其中包括事物信息通过自然光被眼睛获得,再经过大脑处理，从而获得物体的大小、形状、颜色、所在方位等信息[1]。人类观察自然曾发明了许多有用的仪器，通过人眼，科学界也认识到了模拟人眼的深远意义，如果能够用计算机实现人眼处理事物信息的视觉功能，那么许多行业将发现巨大的改变并且也会对人类社会产生巨大的影响。
科技的飞速发展，带来了技术的创新。其中，摄像机技术、计算机和信号处理等领域的巨大突破，使得一些智能仪器具有了人眼的功能。这些仪器通过摄像机获取外界事物的信息，然后将信息传输给计算机，计算机通过模拟仿真，处理获得的信息，模拟恢复场景，从而实现了眼睛的视觉功能，并且由于计算机的存储回放等功能，可以说在一些方面机器眼超越了人眼。本课题设计的是一种以Kinect3D相机为基础的，SLAM算法为指引，利用ROS机器人平台与gazebo模拟仿真环境实现的一种虚拟激光测距仪。
激光技术的最初使用是在20世纪70年代初，由于其具有高速性与准确性，于是在一些测量设备仪器上得了广泛应用。美国科学家梅曼，于20世纪60年代初研制成功了世界上第一台红宝石激光器,被称作柯丽达l型。各国军队因其强大的侦察功能，开始逐渐配备激光测距机，并且各型号的激光测距装置也得到了应用。20世纪70年代, 各国的著名公司开展了涉及工业、航天、海洋等多个方面的合作研究，交流各自拥有的技术与经验，经过多年的探索, 第3代激光测距仪已经研制出来。由红外宝石激光器和光电倍增管探测器构成的第l代激光测距系统，因为占地志量重、占地面积广、大耗电量等诸多缺点而被第2代所取代。第2代激光测距系统采用了近红外钱激光器，制作价格大大下降，并且此系统的耗电和大小比第1代都小很多,使用便利性与经济效益都大大提升，因此得到了迅速发展。随着科学技术的发展，YAG激光器技术也日益成熟。这项技术应用于各种测距范围的激光测距雷达已经成为一种不可阻挡的趋势。在当时，第二代激光测距系统在各国军事雷达以及航天系统上利用的非常广的。可是第2代测距系统的兼容性差、全天候测距的精度低，并且发出的近红外光会损伤人眼。在电子技术与激光技术的不断发展下,各方日益成熟，第三代激光测距一天有了飞跃的发展，第2代测距系统还是渐渐被第3代系统所取代了。第3代激光测距系统相比于前两代而言。其采用了最新电子的技术，耗电量少、体积小、精度更高，并且采用了多人眼无伤害的结构。现阶段已经研制出了许多能够广泛应用的激光测距系统。其中, 有用于测量距离的一维测距系统,在对测距精度要求极高的领域使用广泛；二维系统则是通过扫描一个平面获取信息，再由计算机系统处理从而监控一区域；顾名思义，三维系统涉及到了立体空间，广泛应用于对空间的定点测量、三维轮廓测量等领域。激光测距系统相对于声纳等传统测距系统，其具有高效率、高准确度及强大的抗干扰能力等优点，受到了广泛的应用[2]。
近年来，我国在激光测距领域的发展迅速，不管是科技、工业还是社会生活中，激光测距技术的利用率都在大大提高。可是，在利用到激光测距仪的场合，往往对准确性、灵敏度和可靠性等的要求都是非常高的。国内光学器件和集成电路等核心技术还不够成熟，严重依赖国外进口，导致国内激光测距仪在市场上竞争力弱。因此国内还需要加大研究力度，同时积极引进国外先进技术，提高激光测距仪器的性能。
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 论文主要研究内容与组织结构 2
1.2.1 主要研究内容 2
1.2.2 设计步骤 4
1.2.3 章节安排 4
1.3 本章小结 4
第二章 ROS仿真环境介绍 5
2.1 ROS仿真环境 5
2.1.1 ROS的历史与现状 5
2.1.2 ROS的目标和特点 5
2.1.3 ROS的系统基本概念 6
2.1.4 Gazebo 8
2.2 本章小结 8
第三章 立体视觉基本理论 9
3.1 相机的成像模型以及基本理论 9
3.1.1 成像系统的坐标系 9
3.1.2 线性成像模型 11
3.1.3 非线性成像模型 12
3.2 Kinect 3D相机 14
3.2.1 Kinect3D相机原理介绍 14
3.2.2 Kinect深度摄像机在本课题中的应用 17
3.3 本章小结 17
第四章 基于立体视觉的虚拟 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
激光测距仪系统设计 18
4.1 结构总体设计 18
4.2 各个部分设计介绍 19
4.2.1 运动模块设计 19
4.2.2 地图创建模块设计 23
4.2.3 Rviz地图输出模块设计 25
4.3 本章小结 27
第五章 仿真实验 28
5.1实验环境 28
5.2实验流程 28
5.2.1 仿真环境搭建 29
5.2.2 测距仪在仿真环境中运行并进行绘图 30
5.3 实验结果 31
5.4 本章小结 33
结 论 34
参考文献 35
致 谢 37
第一章 绪论
1.1 研究背景
视觉、嗅觉、听觉、触觉等感官是人类认识世界的手段，经研究表明，人类从外界获取的信息中，有超过80%是通过视觉感官获得的。由此可见，视觉是对人类是多么重要，它是人类认识世界的重要通道，如果没有视觉，人类所能获取的信息量将大大降低。通过视觉认知事物是一个复杂的过程，其中包括事物信息通过自然光被眼睛获得,再经过大脑处理，从而获得物体的大小、形状、颜色、所在方位等信息[1]。人类观察自然曾发明了许多有用的仪器，通过人眼，科学界也认识到了模拟人眼的深远意义，如果能够用计算机实现人眼处理事物信息的视觉功能，那么许多行业将发现巨大的改变并且也会对人类社会产生巨大的影响。
科技的飞速发展，带来了技术的创新。其中，摄像机技术、计算机和信号处理等领域的巨大突破，使得一些智能仪器具有了人眼的功能。这些仪器通过摄像机获取外界事物的信息，然后将信息传输给计算机，计算机通过模拟仿真，处理获得的信息，模拟恢复场景，从而实现了眼睛的视觉功能，并且由于计算机的存储回放等功能，可以说在一些方面机器眼超越了人眼。本课题设计的是一种以Kinect3D相机为基础的，SLAM算法为指引，利用ROS机器人平台与gazebo模拟仿真环境实现的一种虚拟激光测距仪。
激光技术的最初使用是在20世纪70年代初，由于其具有高速性与准确性，于是在一些测量设备仪器上得了广泛应用。美国科学家梅曼，于20世纪60年代初研制成功了世界上第一台红宝石激光器,被称作柯丽达l型。各国军队因其强大的侦察功能，开始逐渐配备激光测距机，并且各型号的激光测距装置也得到了应用。20世纪70年代, 各国的著名公司开展了涉及工业、航天、海洋等多个方面的合作研究，交流各自拥有的技术与经验，经过多年的探索, 第3代激光测距仪已经研制出来。由红外宝石激光器和光电倍增管探测器构成的第l代激光测距系统，因为占地志量重、占地面积广、大耗电量等诸多缺点而被第2代所取代。第2代激光测距系统采用了近红外钱激光器，制作价格大大下降，并且此系统的耗电和大小比第1代都小很多,使用便利性与经济效益都大大提升，因此得到了迅速发展。随着科学技术的发展，YAG激光器技术也日益成熟。这项技术应用于各种测距范围的激光测距雷达已经成为一种不可阻挡的趋势。在当时，第二代激光测距系统在各国军事雷达以及航天系统上利用的非常广的。可是第2代测距系统的兼容性差、全天候测距的精度低，并且发出的近红外光会损伤人眼。在电子技术与激光技术的不断发展下,各方日益成熟，第三代激光测距一天有了飞跃的发展，第2代测距系统还是渐渐被第3代系统所取代了。第3代激光测距系统相比于前两代而言。其采用了最新电子的技术，耗电量少、体积小、精度更高，并且采用了多人眼无伤害的结构。现阶段已经研制出了许多能够广泛应用的激光测距系统。其中, 有用于测量距离的一维测距系统,在对测距精度要求极高的领域使用广泛；二维系统则是通过扫描一个平面获取信息，再由计算机系统处理从而监控一区域；顾名思义，三维系统涉及到了立体空间，广泛应用于对空间的定点测量、三维轮廓测量等领域。激光测距系统相对于声纳等传统测距系统，其具有高效率、高准确度及强大的抗干扰能力等优点，受到了广泛的应用[2]。
近年来，我国在激光测距领域的发展迅速，不管是科技、工业还是社会生活中，激光测距技术的利用率都在大大提高。可是，在利用到激光测距仪的场合，往往对准确性、灵敏度和可靠性等的要求都是非常高的。国内光学器件和集成电路等核心技术还不够成熟，严重依赖国外进口，导致国内激光测距仪在市场上竞争力弱。因此国内还需要加大研究力度，同时积极引进国外先进技术，提高激光测距仪器的性能。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/mjsk/358.html
