一種室內未知環境下使用雷射雷達定位方法
2023-07-05 11:39:41 2
一種室內未知環境下使用雷射雷達定位方法
【專利摘要】本發明公開了一種室內未知環境下使用雷射雷達定位方法，在傳統雷射雷達定位基礎上，完成室內未知環境下的地圖構建，並在構建地圖的基礎上進行線段和角點的特徵匹配，提出一種混合特徵匹配濾波模型，實現室內未知環境下的實時精確定位。該方法簡單易行，避免室內環境對定位過程的不利影響，適合工程實用。
【專利說明】一種室內未知環境下使用雷射雷達定位方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於定位【技術領域】，特別是一種室內未知環境下使用雷射雷達定位方法。【背景技術】
[0002]以往的定位系統主要解決的問題是在戶外如何實時地實現載體的精確定位，但對於室內環境應用而言，這樣的定位系統不能滿足實時定位的精確性要求。GPS定位因為在室內容易受到信號幹擾以及接收不到衛星信號而無法精確定位；地磁定位因為容易受到地磁幹擾而無法精確定位；慣導系統定位因為隨著時間發散而影響到定位精度；視覺導航定位系統受環境光照等影響劇烈，定位精度低，且定位可靠性差。因此，當載體在室內未知環境下運動時，實現對其實時、精確的定位成為當前定位系統發展的一個趨勢。
【發明內容】
[0003]本發明要解決的技術問題是提供一種雷射雷達定位方法，該方法可以排除室內環境對傳統定位技術的限制，實現室內未知環境下的實時精確定位。
[0004]本發明公開的一種室內未知環境下使用雷射雷達定位方法，包括以下步驟:
[0005]I)將雷射雷達置於待定位的物體上；建立特徵提取模型，提取室內環境下雷射雷達掃描點裡的線段和角點特徵，並構建二維局部地圖；
[0006]2)在所述步驟I)特徵提取模型的基礎上，以第一幀能夠在局部坐標系下第二象限檢測到直角的掃描點構建的地圖作為全局地圖，之後每一巾貞掃描點構建的局部地圖與前一幀局部地圖進行混合特徵匹配，當發現新的線段特徵和角點特徵，就將特徵加入到全局地圖中，實現全局地圖的實時更新；
[0007]3)在所述步驟2)的基礎上，建立當前局部坐標系與全局坐標系的坐標轉換關係，判斷特徵的空間變化，實現雷射雷達的自定位，得到定位參數(Tx，Ty，Θ)，(Tx,Ty)表示為載有雷射雷達的載體在室內的位置，Θ表不為載有雷射雷達的載體在室內的相對偏移角度。
[0008]作為上述技術方案的進一步改進，步驟I)中所述的提取室內環境下雷射雷達掃描點裡的線段和角點特徵的過程為:
[0009]11)設置自適應閾值Y = λ δ，λ為自適應因數，δ為雷射雷達測量單位距離時的閾值；對雷射雷達掃描點進行區域分塊，去除跳變點；
[0010]12)進行線段分割，採用迭代的方式找出每個區域裡離第一個點與最後一個點形成的線段距離最遠的點，設置一個自適應閾值β，如果一個點到該線段的距離大於β，則為角點，得到角點位置信息(x，y)；
[0011]13)對線段分割得到的相鄰角點之間的掃描點進行最小二乘法直線擬合，獲得線段參數(a, b, rho, xs, ys, xe, ye)其中，(a, b)為線段擬合參數；rho為直線斜率；(xs, ys), (xe, ye)為線段的起始點和終止點坐標。
[0012]作為上述技術方案的更進一步改進，步驟2)中所述的混合特徵匹配的過程為:
[0013]21)以初始時刻構建的地圖作為全局地圖，構建時刻與t。時刻的局部地圖，分別獲得地圖中的特徵參數，包括線段參數(a,，bprho,^，y4,Xyy4X和角點參數(x,，飛；)，其
中，i=l, 2，---,m, , m為地圖的線段個數，j=l, 2，…k, k為地圖的角點個數；
[0014]22)對時刻與t。時刻局部地圖進行線段特徵匹配；設定線段匹配判定條件:
[0015]條件1:判斷線段在全局坐標系下與X軸的夾角:因為rho為線段斜率，可得到線段在局部坐標系下與X軸的夾角
[0016]β i = arctan Crhoi)(I)
[0017]利用上一時刻V1的定位參數_, T1^1, Ot ,)推算t。時刻雷射雷達的轉角，推算公式為:民=6> νθ€,
[0018]然後獲得線段在全局坐標系下與X軸的夾角β:
【權利要求】
1.一種室內未知環境下使用雷射雷達定位方法，其特徵在於:包括以下步驟: 1)將雷射雷達置於待定位的物體上；建立特徵提取模型，提取室內環境下雷射雷達掃描點裡的線段和角點特徵，並構建二維局部地圖； 2)在所述步驟I)特徵提取模型的基礎上，以第一幀能夠在局部坐標系下第二象限檢測到直角的掃描點構建的地圖作為全局地圖，之後每一幀掃描點構建的局部地圖與前一幀局部地圖進行混合特徵匹配，當發現新的線段特徵和角點特徵，就將特徵加入到全局地圖中，實現全局地圖的實時更新； 3)在所述步驟2)的基礎上，建立當前局部坐標系與全局坐標系的坐標轉換關係，判斷特徵的空間變化，實現雷射雷達的自定位，得到定位參數(Tx，Ty，Θ ), (Tx, Ty)表示為載有雷射雷達的載體在室內的位置，Θ表不為載有雷射雷達的載體在室內的相對偏移角度。
2.根據權利要求1所述的一種室內未知環境下使用雷射雷達定位方法，其特徵在於:步驟I)中所述的提取室內環境下雷射雷達掃描點裡的線段和角點特徵的過程為: 11)設置自適應閾值Y= λ δ，λ為自適應因數，δ為雷射雷達測量單位距離時的閾值；對雷射雷達掃描點進行區域分塊，去除跳變點； 12)進行線段分割，採用迭代的方式找出每個區域裡離第一個點與最後一個點形成的線段距離最遠的點，設置一個自適應閾值β，如果一個點到該線段的距離大於β，則為角點，得到角點位置信息(x，y)； 13)對線段分割得到的相鄰角點之間的掃描點進行最小二乘法直線擬合，獲得線段參數(a, b, rho, xs, ys, xe, ye)其中，(a, b)為線段擬合參數；rho 為直線斜率；(xs, ys)，(xe, ye)為線段的起始點 和終止點坐標。
3.根據權利要求1所述的一種室內未知環境下使用雷射雷達定位方法，其特徵在於:步驟2)中所述的混合特徵匹配的過程為: 21)以初始時刻構建的地圖作為全局地圖，構建V1時刻與t。時刻的局部地圖，分別獲得地圖中的特徵參數，包括線段參數，yis，w),和角點參數，飛 >其中，i=l, 2，---,m, , m為地圖的線段個數，j=l, 2，…k, k為地圖的角點個數； 22)對時刻與t。時刻局部地圖進行線段特徵匹配；設定線段匹配判定條件: 條件1:判斷線段在全局坐標系下與X軸的夾角:因為rho為線段斜率，可得到線段在局部坐標系下與X軸的夾角 β i = arctan Crhoi)(I) 利用上一時刻V1的定位參數(TVl推算t2時刻雷射雷達的轉角，推算公式為= Ot ' +θε, 然後獲得線段在全局坐標系下與X軸的夾角β gi: Pa1 = β?+0,O θ e為t。時刻航向預估誤差角； 設置閾值δ進行線段匹配，如果(凡),.-(為.5，則判斷第i+l條線段斜率，直到所有線段都判斷結束，尋找出多餘的線段為新增線段； 條件2:從雷射雷達坐標系原點作線段的法線P，獲得法線與線段的交點('，')，其中，i=l, 2，，m為地圖的線段個數:
4.根據權利要求1所述的一種室內未知環境下使用雷射雷達定位方法，其特徵在於: 步驟3)所述的雷射雷達自定位過程如下: 在載體初始位置時，即雷射雷達第一幀掃描點，構建全局坐標系，此刻獲得的雷射雷達的位置和角度都為初始值(T.'.、Λ 4)，此時測量的線段參數，角點參數都作為全局坐標系下的線段、角點參數，在載體運動過程中，實時地將採集到的新的特徵加入到全局地圖中，實現全局地圖的實時更新，在進行全局地圖更新的同時實現雷射雷達自定位；t。時刻雷射雷達測得的局部地圖建立局部坐標系，在線段匹配過程中，當t。時刻雷射雷達局部坐標系下線段Ii匹配全局坐標系下的線段igi，即可計算得出雷射雷達在時刻的旋轉角度6L
【文檔編號】G01S17/58GK103941264SQ201410116319
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月26日 優先權日:2014年3月26日
【發明者】楊景陽, 李榮冰, 劉建業, 林雪原, 張玲, 杭義軍, 曾慶化, 廖自威 申請人:南京航空航天大學