[发明专利]森林环境中移动机器人自然路标提取方法

说明书

技术领域

 本发明属于移动机器人定位与导航技术领域，涉及一种森林环境中移动机器人自然路标的提取方法，适合在野外森林环境中作业的智能移动机器人或自主车使用。

背景技术

经过多年的发展，智能自主移动机器人已在工业、农业、服务业等领域显示出了越来越广阔的应用前景。特别是在未知或危险的环境中，移动机器人可以代替人类执行探险、探测和操作等作业，这使得移动机器人在星球探测、地下探测、海洋开发、军事反恐、灾难救助、危险品处理、核环境作业等领域具有巨大的潜在价值和需求。

无论移动机器人的应用环境如何，在它的运动过程中始终要解决自身的定位和导航问题。随着移动机器人研究及应用的发展，定位问题研究逐渐从结构化的建筑物环境转向非结构化室外环境，从二维平面环境转向三维立体环境，从小型简单环境转向大范围复杂环境，从静态不变的环境转向动态变化的环境。然而，室外自然环境自身复杂、不规则的特点给定位与导航带来了很大的挑战，特别是对于森林这种杂乱的大规模环境来说更是困难重重。在森林环境中，GPS信号在被茂密的枝叶和植被覆盖的区域会由于树木枝叶遮挡进而失效，在这种情形下，通过机器人自身传感器进行定位导航是解决该问题的唯一方法。视觉传感器和激光传感器是最常用的机器人传感器，然而视觉传感数据受光照变化、阴影等因素的影响较大，因而从中提取物体信息变得困难而不可靠。这使得采用激光传感器获取环境信息成为最恰当的解决方案。另外，森林地形具有的地表粗糙、坡度变化大等特点不仅使得我们无法预知确定的地平面，而且导致机器人的六个自由度位姿都存在较大误差，急需进行校正。环境的杂乱使得场景中的物体相互遮挡，即使是机器人位置和视角的轻微变化都会造成可见景物的剧烈不同。在非结构化的茂密森林环境中对景物进行语义层次的识别、理解，进而完成高层次几何元素的抽取也是一项复杂而艰巨的任务。

发明内容

本发明的目的是解决森林环境中移动机器人的定位问题，提供一种森林环境中移动机器人自然路标提取方法。

本发明采用三维激光传感器获取森林环境信息，发明了一种全新的从激光测量数据的三维点云中提取树干作为自然路标的方法。这种自然路标提取方法以场景理解和树木自动分析为基础，从点数稀少且被噪声干扰严重的三维扫描中提取树干的几何模型，具体方法分为三个步骤：

第1. 对森林环境进行三维激光扫描检测，利用树干轮廓的圆形特征将三维点云分割为扫描分段，依据空间相邻性将扫描分段组织成树干分段。

第2. 从第1步得到的几何信息不充分的树干分段中提取圆模型，并根据圆心拟合出树干分段的轴线（该过程是一个迭代过程）。

第3. 通过分析树干分段的空间不连续类型，对它们进行聚类和整合，根据树干分段在空间分布上的差异，将属于同一棵树干的分段整合在一起，同时去除树杈，并最终得到唯一代表树木的直树干作为路标。

在得到树干作为高层特征后，可以使用基于特征的成对扫描匹配方法跟踪机器人的六维位姿，实现机器人定位。

本发明的优点和有益效果：

本发明提供的基于传感信息的自然路标提取方法，解决了在森林环境中进行机器人定位的难题，适用于在GPS信号被遮挡、码盘、视觉传感器难以稳定提供可靠定位的森林环境，这种方法不受天气及光照影响，是一种全天候的野外机器人定位方法。该方法在野外机器人、自主车、军事、探索救援等领域都具有应用前景。

 

附图说明

图1 为自然路标提取流程图。

图2 为二维扫描平面与树干相交所获得扫描分段示意图。

图3 为圆模型半径的上界和下界，（a）下界，（b）上界。

图4为当点                                               或不在相应轴线上时轴线和的距离。

图5 为树干分段空间不连续的三种情况，（a）断裂，（b）弯曲，（c）分叉。

图6 为带有斜坡的森林场景的原始3D扫描。

图7为图6中带有斜坡的森林场景的路标提取结果。

 

具体实施方式

一、面向树干的三维点云分割