森林環境中移動機器人自然路標提取方法
【專利摘要】本發明涉及一種森林環境中移動機器人自然路標提取方法。陸標是機器人定位與導航的指示，在未知環境下不存在預先設置的陸標，需要從環境中提取自然特征作為陸標。本發明路標提取方法包括：對森林環境進行三維激光掃描、對掃描結果進行面向樹干的點云分割、進行幾何元素的抽取、進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。該方法提取森林環境中的樹干作為自然路標，能夠從雜亂復雜的森林環境中提取樹干及其幾何特征，用于移動機器人定位與導航。該方法解決了森林環境中機器人定位與導航的難題，能夠在碼盤、視覺傳感器以及GPS系統難以有效提供機器人定位的非結構森林環境中提取高質量的自然特征路標。
【專利說明】森林環境中移動機器人自然路標提取方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于移動機器人定位與導航【技術領域】，涉及一種森林環境中移動機器人自然路標的提取方法，適合在野外森林環境中作業的智能移動機器人或自主車使用。
【背景技術】
[0002]經過多年的發展，智能自主移動機器人已在工業、農業、服務業等領域顯示出了越來越廣闊的應用前景。特別是在未知或危險的環境中，移動機器人可以代替人類執行探險、探測和操作等作業，這使得移動機器人在星球探測、地下探測、海洋開發、軍事反恐、災難救助、危險品處理、核環境作業等領域具有巨大的潛在價值和需求。
[0003]無論移動機器人的應用環境如何，在它的運動過程中始終要解決自身的定位和導航問題。隨著移動機器人研究及應用的發展，定位問題研究逐漸從結構化的建筑物環境轉向非結構化室外環境，從二維平面環境轉向三維立體環境，從小型簡單環境轉向大范圍復雜環境，從靜態不變的環境轉向動態變化的環境。然而，室外自然環境自身復雜、不規則的特點給定位與導航帶來了很大的挑戰，特別是對于森林這種雜亂的大規模環境來說更是困難重重。在森林環境中，GPS信號在被茂密的枝葉和植被覆蓋的區域會由于樹木枝葉遮擋進而失效，在這種情形下，通過機器人自身傳感器進行定位導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器人傳感器，然而視覺傳感數據受光照變化、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境信息成為最恰當的解決方案。另外，森林地形具有的地表粗糙、坡度變化大等特點不僅使得我們無法預知確定的地平面，而且導致機器人的六個自由度位姿都存在較大誤差，急需進行校正。環境的雜亂使得場景中的物體相互遮擋，即使是機器人位置和視角的輕微變化都會造成可見景物的劇烈不同。在非結構化的茂密森林環境中對景物進行語義層次的識別、理解，進而完成高層次幾何元素的抽取也是一項復雜而艱巨的任務。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是解決森林環境中移動機器人的定位問題，提供一種森林環境中移動機器人自然路標提取方法。
[0005]本發明采用三維激光傳感器獲取森林環境信息，發明了一種全新的從激光測量數據的三維點云中提取樹干作為自然路標的方法。這種自然路標提取方法以場景理解和樹木自動分析為基礎，從點數稀少且被噪聲干擾嚴重的三維掃描中提取樹干的幾何模型，具體方法分為三個步驟:
第1.對森林環境進行三維激光掃描檢測，利用樹干輪廓的圓形特征將三維點云分割為掃描分段，依據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，并根據圓心擬合出樹干分段的軸線(該過程是一個迭代過程)。
[0007]第3.通過分析樹干分段的空間不連續類型，對它們進行聚類和整合，根據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，同時去除樹杈，并最終得到唯一代表樹木的直樹干作為路標。
[0008]在得到樹干作為高層特征后，可以使用基于特征的成對掃描匹配方法跟蹤機器人的六維位姿，實現機器人定位。
[0009]本發明的優點和有益效果:
本發明提供的基于傳感信息的自然路標提取方法，解決了在森林環境中進行機器人定位的難題，適用于在GPS信號被遮擋、碼盤、視覺傳感器難以穩定提供可靠定位的森林環境，這種方法不受天氣及光照影響，是一種全天候的野外機器人定位方法。該方法在野外機器人、自主車、軍事、探索救援等領域都具有應用前景。
[0010]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為自然路標提取流程圖。
[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為當點尸或6不在相應軸線上時軸線鴣和七的距離。
[0015]圖5為樹干分段空間不連續的三種情況，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提取結果。
[0018]【具體實施方式】
[0019]一、面向樹干的三維點云分割
對森林環境進行三維激光掃描檢測，機器人以某個位姿對特定場景進行掃描所得到的三維點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掃描數據組成，因此可將在一個掃描平面中獲取的數據稱為三維掃描的一行，據此三維點云的排布即可看作一個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#表示當前掃描平面和局部基準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個掃描平面獲得的掃描
數據行，螓為第i行掃描對應的掃描夾角，且有。每一行都包含Af個數據
點,為Ua，…,?},乓位代表第?行j列位置的掃描點，i = X ,N: J=X ,N0
[0020]為了從點云中獲取環境信息，需要對點云進行分割，目的是將每個二維掃描線按照是否擊中同一物體為依據劃分為分段。由于本方法的最終目標是提取樹干，所以算法將首先圍繞樹干的幾何特征對點云進行有針對性的分割。
[0021]利用兩個物體之間的空隙可知，若同一個二維掃描平面上的兩掃描點之間存在未擊中任何物體的激光射線，即兩掃描點不是連續的，則它們一定分屬于不同物體。[0022]另外，對于連續掃描點1|和^來說，如果從機器人的視角觀察，它們擊中的是前
后互相遮擋的兩棵樹木，則也應被分開，為了分割此時的二維線段，根據樹干輪廓的圓柱形特征對掃描點進行投影。依據立體幾何的相關背景知識可以得知，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應于圓柱體的正圓形底面。而樹木恰好可以用直圓柱體進行建模。雖然擊中同一樹干的掃描段之間并不平行，但它們的投影
可歸結為同一圓弧，這樣就將3D問題轉化成了 2D問題。若點pm和pu滿足如下兩個條件之一，則它們可以區分兩個相鄰分段今和sk+1 I)晷和辱不是二維掃描行馬上的連續點。
[0023]2) Pa和乓是鳥上的連續點，但它們投影之間的歐氏距離大于閾值。
[0024]當二維掃描平面分割完畢，需要將掃描分段篩選組合成蘊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心描述其位置，依據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?標識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
部基準平面得到&。?被覽度1%和質心~描述，其中定乂為?的開始點和結束點
在全局基準平面投影點的歐式距離，是％中所有點在局部基準平面上的平均位置。
[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的二維掃描平面。因此，第k個樹干分段被表示為,并且各掃描夾角之間
有錢 <毳<--<爽，其中，>--->4是》個連續二維掃描平面的索引。
[0027]為了構造樹干分段，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造。構造算法將從空的樹干集合T開始，按照#的升序，為每一個掃描分段％搜索它從屬的樹干分段。針對當前的％，算法檢查T中現有的每一個樹干分段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％獨自開始一個新的分組U =(%}，并將U加入集合I.。否則，將％作為最后一個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％應該位于的鄰域內。基于上文提到的描述掃描分段的兩個分量..％和/%_，當如下兩個條件同時滿足時，％被認為位于^的近鄰:
【權利要求】
1.一種森林環境中移動機器人自然路標提取方法，其特征在于該方法包括步驟: 第1.對森林環境進行三維激光掃描檢測，利用樹干輪廓的圓形特征將三維點云分割為掃描分段，依據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類型，進行聚類和整合，根據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，同時去除樹杈，并最終得到唯一代表樹木的直樹干作為路標。
【文檔編號】G01C21/00GK103575272SQ201310568954
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月15日 優先權日:2013年11月15日
【發明者】孫鳳池, 宋萌, 代曉芳, 苑晶, 耿達 申請人:南開大學
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