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森林環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人自然路標(biāo)提取方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種森林環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人自然路標(biāo)提取方法。陸標(biāo)是機(jī)器人定位與導(dǎo)航的指示，在未知環(huán)境下不存在預(yù)先設(shè)置的陸標(biāo)，需要從環(huán)境中提取自然特征作為陸標(biāo)。本發(fā)明路標(biāo)提取方法包括：對(duì)森林環(huán)境進(jìn)行三維激光掃描、對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行面向樹干的點(diǎn)云分割、進(jìn)行幾何元素的抽取、進(jìn)行樹干分段的聚類與整合，并最終得到唯一代表樹木的直樹干作為路標(biāo)。該方法提取森林環(huán)境中的樹干作為自然路標(biāo)，能夠從雜亂復(fù)雜的森林環(huán)境中提取樹干及其幾何特征，用于移動(dòng)機(jī)器人定位與導(dǎo)航。該方法解決了森林環(huán)境中機(jī)器人定位與導(dǎo)航的難題，能夠在碼盤、視覺傳感器以及GPS系統(tǒng)難以有效提供機(jī)器人定位的非結(jié)構(gòu)森林環(huán)境中提取高質(zhì)量的自然特征路標(biāo)。
【專利說明】森林環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人自然路標(biāo)提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于移動(dòng)機(jī)器人定位與導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種森林環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人自然路標(biāo)的提取方法，適合在野外森林環(huán)境中作業(yè)的智能移動(dòng)機(jī)器人或自主車使用。
【背景技術(shù)】
[0002]經(jīng)過多年的發(fā)展，智能自主移動(dòng)機(jī)器人已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域顯示出了越來越廣闊的應(yīng)用前景。特別是在未知或危險(xiǎn)的環(huán)境中，移動(dòng)機(jī)器人可以代替人類執(zhí)行探險(xiǎn)、探測和操作等作業(yè)，這使得移動(dòng)機(jī)器人在星球探測、地下探測、海洋開發(fā)、軍事反恐、災(zāi)難救助、危險(xiǎn)品處理、核環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域具有巨大的潛在價(jià)值和需求。
[0003]無論移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境如何，在它的運(yùn)動(dòng)過程中始終要解決自身的定位和導(dǎo)航問題。隨著移動(dòng)機(jī)器人研究及應(yīng)用的發(fā)展，定位問題研究逐漸從結(jié)構(gòu)化的建筑物環(huán)境轉(zhuǎn)向非結(jié)構(gòu)化室外環(huán)境，從二維平面環(huán)境轉(zhuǎn)向三維立體環(huán)境，從小型簡單環(huán)境轉(zhuǎn)向大范圍復(fù)雜環(huán)境，從靜態(tài)不變的環(huán)境轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境。然而，室外自然環(huán)境自身復(fù)雜、不規(guī)則的特點(diǎn)給定位與導(dǎo)航帶來了很大的挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于森林這種雜亂的大規(guī)模環(huán)境來說更是困難重重。在森林環(huán)境中，GPS信號(hào)在被茂密的枝葉和植被覆蓋的區(qū)域會(huì)由于樹木枝葉遮擋進(jìn)而失效，在這種情形下，通過機(jī)器人自身傳感器進(jìn)行定位導(dǎo)航是解決該問題的唯一方法。視覺傳感器和激光傳感器是最常用的機(jī)器人傳感器，然而視覺傳感數(shù)據(jù)受光照變化、陰影等因素的影響較大，因而從中提取物體信息變得困難而不可靠。這使得采用激光傳感器獲取環(huán)境信息成為最恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。另外，森林地形具有的地表粗糙、坡度變化大等特點(diǎn)不僅使得我們無法預(yù)知確定的地平面，而且導(dǎo)致機(jī)器人的六個(gè)自由度位姿都存在較大誤差，急需進(jìn)行校正。環(huán)境的雜亂使得場景中的物體相互遮擋，即使是機(jī)器人位置和視角的輕微變化都會(huì)造成可見景物的劇烈不同。在非結(jié)構(gòu)化的茂密森林環(huán)境中對(duì)景物進(jìn)行語義層次的識(shí)別、理解，進(jìn)而完成高層次幾何元素的抽取也是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是解決森林環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人的定位問題，提供一種森林環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人自然路標(biāo)提取方法。
[0005]本發(fā)明采用三維激光傳感器獲取森林環(huán)境信息，發(fā)明了一種全新的從激光測量數(shù)據(jù)的三維點(diǎn)云中提取樹干作為自然路標(biāo)的方法。這種自然路標(biāo)提取方法以場景理解和樹木自動(dòng)分析為基礎(chǔ)，從點(diǎn)數(shù)稀少且被噪聲干擾嚴(yán)重的三維掃描中提取樹干的幾何模型，具體方法分為三個(gè)步驟:
第1.對(duì)森林環(huán)境進(jìn)行三維激光掃描檢測，利用樹干輪廓的圓形特征將三維點(diǎn)云分割為掃描分段，依據(jù)空間相鄰性將掃描分段組織成樹干分段。
[0006]第2.從第I步得到的幾何信息不充分的樹干分段中提取圓模型，并根據(jù)圓心擬合出樹干分段的軸線(該過程是一個(gè)迭代過程)。
[0007]第3.通過分析樹干分段的空間不連續(xù)類型，對(duì)它們進(jìn)行聚類和整合，根據(jù)樹干分段在空間分布上的差異，將屬于同一棵樹干的分段整合在一起，同時(shí)去除樹杈，并最終得到唯一代表樹木的直樹干作為路標(biāo)。
[0008]在得到樹干作為高層特征后，可以使用基于特征的成對(duì)掃描匹配方法跟蹤機(jī)器人的六維位姿，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
本發(fā)明提供的基于傳感信息的自然路標(biāo)提取方法，解決了在森林環(huán)境中進(jìn)行機(jī)器人定位的難題，適用于在GPS信號(hào)被遮擋、碼盤、視覺傳感器難以穩(wěn)定提供可靠定位的森林環(huán)境，這種方法不受天氣及光照影響，是一種全天候的野外機(jī)器人定位方法。該方法在野外機(jī)器人、自主車、軍事、探索救援等領(lǐng)域都具有應(yīng)用前景。
[0010]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為自然路標(biāo)提取流程圖。
[0012]圖2為二維掃描平面與樹干相交所獲得掃描分段示意圖。
[0013]圖3為圓 模型半徑的上界和下界，Ca)下界，(b)上界。
[0014]圖4為當(dāng)點(diǎn)尸或6不在相應(yīng)軸線上時(shí)軸線鴣和七的距離。
[0015]圖5為樹干分段空間不連續(xù)的三種情況，Ca)斷裂，(b)彎曲，(c)分叉。
[0016]圖6為帶有斜坡的森林場景的原始3D掃描。
[0017]圖7為圖6中帶有斜坡的森林場景的路標(biāo)提取結(jié)果。
[0018]【具體實(shí)施方式】
[0019]一、面向樹干的三維點(diǎn)云分割
對(duì)森林環(huán)境進(jìn)行三維激光掃描檢測，機(jī)器人以某個(gè)位姿對(duì)特定場景進(jìn)行掃描所得到的三維點(diǎn)云被稱為一幅三維掃描。一幅三維掃描由二維激光傳感器通過俯仰操作在不同掃描平面獲取的2D掃描數(shù)據(jù)組成，因此可將在一個(gè)掃描平面中獲取的數(shù)據(jù)稱為三維掃描的一行，據(jù)此三維點(diǎn)云的排布即可看作一個(gè)ATxiMr的二維矩陣。由于俯仰式三維激光傳感器固有的取樣方式，N個(gè)二維掃描平面并不是互相平行的，間距也不盡相同。使用#表示當(dāng)前掃描平面和局部基準(zhǔn)平面之間的掃描夾角，則可獲得如下的矩陣描述:
三維掃描S包含JSr行，,其中，為表不第I個(gè)掃描平面獲得的掃描
數(shù)據(jù)行，螓為第i行掃描對(duì)應(yīng)的掃描夾角，且有。每一行都包含Af個(gè)數(shù)據(jù)
點(diǎn),為Ua，…,?},乓位代表第?行j列位置的掃描點(diǎn)，i = X ,N: J=X ,N0
[0020]為了從點(diǎn)云中獲取環(huán)境信息，需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分割，目的是將每個(gè)二維掃描線按照是否擊中同一物體為依據(jù)劃分為分段。由于本方法的最終目標(biāo)是提取樹干，所以算法將首先圍繞樹干的幾何特征對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行有針對(duì)性的分割。
[0021]利用兩個(gè)物體之間的空隙可知，若同一個(gè)二維掃描平面上的兩掃描點(diǎn)之間存在未擊中任何物體的激光射線，即兩掃描點(diǎn)不是連續(xù)的，則它們一定分屬于不同物體。[0022]另外，對(duì)于連續(xù)掃描點(diǎn)1|和^來說，如果從機(jī)器人的視角觀察，它們擊中的是前
后互相遮擋的兩棵樹木，則也應(yīng)被分開，為了分割此時(shí)的二維線段，根據(jù)樹干輪廓的圓柱形特征對(duì)掃描點(diǎn)進(jìn)行投影。依據(jù)立體幾何的相關(guān)背景知識(shí)可以得知，直圓柱體的任何截面，不論是傾斜還是水平，橢圓還是正圓，沿其軸線投影后都對(duì)應(yīng)于圓柱體的正圓形底面。而樹木恰好可以用直圓柱體進(jìn)行建模。雖然擊中同一樹干的掃描段之間并不平行，但它們的投影
可歸結(jié)為同一圓弧，這樣就將3D問題轉(zhuǎn)化成了 2D問題。若點(diǎn)pm和pu滿足如下兩個(gè)條件之一，則它們可以區(qū)分兩個(gè)相鄰分段今和sk+1 I)晷和辱不是二維掃描行馬上的連續(xù)點(diǎn)。
[0023]2) Pa和乓是鳥上的連續(xù)點(diǎn)，但它們投影之間的歐氏距離大于閾值。
[0024]當(dāng)二維掃描平面分割完畢，需要將掃描分段篩選組合成蘊(yùn)含高層信息的樹干分段。解決該問題的基本思路是使用掃描分段的質(zhì)心描述其位置，依據(jù)各分段在豎直空間的相鄰性將它們順次連接成分組，并根據(jù)掃描分段的長度和分組的高度判別哪些分組描述的是樹干或粗壯樹杈。
[0025]為衡量各掃描分段在三維空間中的關(guān)系，首先需要描述各掃描分段的位置。將三維掃描第i行上的第/個(gè)分段記作％。由于同一二維掃描平面上的掃描分段高度不盡相同，
因此使用行索引?標(biāo)識(shí)掃描分段在豎直方向上的位置。另外，在水平方向上，將％投影于局
部基準(zhǔn)平面得到&。?被覽度1%和質(zhì)心~描述，其中定乂為?的開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)
在全局基準(zhǔn)平面投影點(diǎn)的歐式距離，是％中所有點(diǎn)在局部基準(zhǔn)平面上的平均位置。
[0026]樹干分段可以看作由一組空間上相鄰的掃描分段組成。這些掃描分段來自連續(xù)的二維掃描平面。因此，第k個(gè)樹干分段被表示為,并且各掃描夾角之間
有錢 <毳<--<爽，其中，>--->4是》個(gè)連續(xù)二維掃描平面的索引。
[0027]為了構(gòu)造樹干分段，需要過濾掉過長的掃描分段。如果~的寬度滿足如下條件: 說明％可以看作是半徑不超過上限U的直圓柱體上的弧，則％可能獲取自樹干。反之，定取自連綿的地面或茂密的樹冠。
[0028]在第一次過濾后，候選樹干分段將被逐層構(gòu)造。構(gòu)造算法將從空的樹干集合T開始，按照#的升序，為每一個(gè)掃描分段％搜索它從屬的樹干分段。針對(duì)當(dāng)前的％，算法檢查T中現(xiàn)有的每一個(gè)樹干分段4如果沒有樹干分段滿足近鄰條件，則說明到目前為止，在空間中尚沒有形成和％鄰近的分組，因此％獨(dú)自開始一個(gè)新的分組U =(%}，并將U加入集合I.。否則，將％作為最后一個(gè)掃描分段加入它從屬的樹干分段。
[0029]組成樹干分段的各掃描分段將按照其所在二維掃描平面的夾角旁升序排列，具有最大.的掃描分段記作。根據(jù)垂直方向上的掃描順序，4*是.%中最接近％的掃描分段。因此，如果％屬于％，那么％應(yīng)該位于的鄰域內(nèi)。基于上文提到的描述掃描分段的兩個(gè)分量..％和/%_，當(dāng)如下兩個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，％被認(rèn)為位于^的近鄰:
【權(quán)利要求】
1.一種森林環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人自然路標(biāo)提取方法，其特征在于該方法包括步驟: 第1.對(duì)森林環(huán)境進(jìn)行三維激光掃描檢測，利用樹干輪廓的圓形特征將三維點(diǎn)云分割為掃描分段，依據(jù)空間相鄰性將掃描分段組織成樹干分段； 第2.從第I步得到的幾何信息不充分的樹干分段中提取圓模型，并根據(jù)圓心擬合出樹干分段的軸線； 第3.通過分析樹干分段的空間不連續(xù)類型，進(jìn)行聚類和整合，根據(jù)樹干分段在空間分布上的差異，將屬于同一棵樹干的分段整合在一起，同時(shí)去除樹杈，并最終得到唯一代表樹木的直樹干作為路標(biāo)。
【文檔編號(hào)】G01C21/00GK103575272SQ201310568954
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】孫鳳池, 宋萌, 代曉芳, 苑晶, 耿達(dá) 申請(qǐng)人:南開大學(xué)