專利名稱：一種基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量及模式識(shí)別領(lǐng)域，特別涉及一種基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，激光掃描系統(tǒng)在測(cè)量識(shí)別領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。搭載在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上的機(jī)載激光測(cè)量方法是自20世紀(jì)中后期發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，它利用裝載在飛行器上的激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行精確的環(huán)境測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)地球表面、自然環(huán)境及室內(nèi)狹窄空間的幾何、物理等數(shù)據(jù)的采集、測(cè)量和識(shí)別。其應(yīng)用已擴(kuò)展到與空間分布有關(guān)的諸多方面，如自然環(huán)境監(jiān)測(cè)與分析、資源調(diào)查與開(kāi)發(fā)、災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)室內(nèi)環(huán)境勘察等。通過(guò)激光掃描獲得的環(huán)境結(jié)構(gòu)信息，能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)世界的三維模型的表達(dá)和操作，例如數(shù)字高程圖的生成，三維數(shù)字地形的縮放、旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)等。
20世紀(jì)60到70年代，人們發(fā)現(xiàn)激光遙感測(cè)量的巨大潛力，各國(guó)紛紛開(kāi)展基于激光掃描的多項(xiàng)研究。如美國(guó)NASA研制的用于航天飛機(jī)、月球和火星觀測(cè)的激光測(cè)高儀等；力口拿大卡爾加里大學(xué)利用激光掃描儀與GPS、INS集成實(shí)現(xiàn)的機(jī)載激光三維數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)；卡耐基梅隆大學(xué)和斯坦福大學(xué)利用小型無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)，融合激光掃描及GPS定位系統(tǒng)，成功進(jìn)行一些低空數(shù)據(jù)采集建模的研究工作，并出現(xiàn)了利用多個(gè)激光掃描儀對(duì)廢棄礦洞坑道進(jìn)行三維建模的研究平臺(tái)。
然而在室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)的識(shí)別方面，現(xiàn)有研究和平臺(tái)仍存在著一些問(wèn)題，主要包括以下幾點(diǎn):1、現(xiàn)有機(jī)載平臺(tái)大多采用GPS定位，激光掃描只是一種測(cè)量和識(shí)別手段，而在室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)環(huán)境下，空間窄小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，GPS定位無(wú)法滿足精度要求，無(wú)法保證飛行器平臺(tái)的飛行安全，設(shè)計(jì)合理的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法一方面可以提高室內(nèi)結(jié)構(gòu)的識(shí)別精度，亦可以用于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的實(shí)時(shí)自定位與精確飛行控制；2、對(duì)于室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)的識(shí)別研究來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的大規(guī)模場(chǎng)景下激光掃描的三維建模研究缺乏適用性。受到掃描儀姿態(tài)及傳感器性能、檢測(cè)范圍和海量數(shù)據(jù)的限制，不具備實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)掃描建模能力；3、融合可見(jiàn)光、紅外、GIS數(shù)據(jù)及多個(gè)激光掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行高層處理的研究，目前還處于研究階段，算法復(fù)雜且識(shí)別精度無(wú)法保證。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問(wèn)題之一或至少提供一種有用的商業(yè)選擇。為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種可以用于無(wú)人機(jī)自主飛行時(shí)對(duì)室內(nèi)未知環(huán)境的探索的適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展性好的基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法，包括以下步驟:S1.設(shè)計(jì)激光掃描數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并確定掃描過(guò)程中使用的全局地圖坐標(biāo)系；S2.采用激光測(cè)距機(jī)獲取激光掃描數(shù)據(jù)，計(jì)算角度相鄰的掃描點(diǎn)間的距離，并進(jìn)行去噪預(yù)處理，生成室內(nèi)結(jié)構(gòu)的掃描輪廓線；S3.將所述掃描輪廓線中各點(diǎn)的全局坐標(biāo)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合高度傳感器信息建立三維環(huán)境點(diǎn)云；以及S4.根據(jù)所述掃描輪廓線和所述環(huán)境點(diǎn)云，判斷室內(nèi)未知環(huán)境結(jié)構(gòu)以及障礙物信息。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述激光測(cè)距機(jī)為二維激光測(cè)距機(jī)，能夠按照一定頻率掃描室內(nèi)環(huán)境中某一高度水平面上的周?chē)c(diǎn)的深度信息。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述激光掃描數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括:激光掃描的起始角度f(wàn)loat angle_min ;激光掃描的終止角度f(wàn)loat angle_max ;激光束的角度分辨率floatangle_increment ;激光掃描點(diǎn)的最小深度信息float range_min ;激光掃描點(diǎn)的最大深度信息float range_max ;以及,記錄一次掃描后所有被掃描點(diǎn)的深度信息為float []rangesο
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述全局地圖坐標(biāo)系為:以所述激光測(cè)距機(jī)的掃描起點(diǎn)為原點(diǎn)0，X軸正向向前，Y軸正向垂直于X軸方向向左，Z軸正向垂直XOY平面方向向上，所述全局地圖坐標(biāo)系滿足右手法則。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S2進(jìn)一步包括:S21.根據(jù)獲取的激光掃描數(shù)據(jù)，計(jì)算各掃描點(diǎn)的角度信息，記所述ranges數(shù)組中下標(biāo)為i的掃描點(diǎn)的角度坐標(biāo)^為ri=angle_min+angle_incrementX i ；S22.將多個(gè)掃描點(diǎn)按照角度坐標(biāo)排序,找到各點(diǎn)的相鄰掃描點(diǎn)，并計(jì)算相鄰掃描點(diǎn)之間的距離；S23.根據(jù)環(huán)境信息設(shè)定距離判斷閾值T，若一次掃描中某點(diǎn)與其他點(diǎn)距離d>T，則認(rèn)為是為噪聲點(diǎn)去除掉，否則保留；以及S24.去除噪聲點(diǎn)之后，將余下的點(diǎn)連接起來(lái)，形成多條端點(diǎn)不重合的室內(nèi)環(huán)境輪廓線。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S23與所述步驟S24之間還包括:將所述掃描輪廓線中各點(diǎn)全局坐標(biāo)存入數(shù)據(jù)庫(kù)并作為歷史記錄，每次實(shí)時(shí)掃描生成輪廓線后與歷史記錄比較，若當(dāng)次計(jì)算出的輪廓線上某點(diǎn)坐標(biāo)與歷史記錄相差超過(guò)閾值T，則認(rèn)為是噪聲點(diǎn)，去除該點(diǎn)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S3包括:在獲得了不同高度的室內(nèi)結(jié)構(gòu)的掃描輪廓線后，根據(jù)高度傳感器給出的高度信息將不同的輪廓線進(jìn)行堆疊，獲得室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)的三維點(diǎn)云信息。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S4進(jìn)一步包括:S41.根據(jù)所述掃描輪廓線和所述環(huán)境點(diǎn)云，結(jié)合室內(nèi)未知 環(huán)境的先驗(yàn)信息，進(jìn)行墻壁、門(mén)、窗戶的基本結(jié)構(gòu)識(shí)別；和S42.繼續(xù)進(jìn)行障礙物的識(shí)別，其中，所述步驟S41進(jìn)一步包括:S411.墻壁識(shí)別:首先處理單次激光掃描數(shù)據(jù)并生成室內(nèi)結(jié)構(gòu)的輪廓線，然后將輪廓線上的端點(diǎn)坐標(biāo)存入數(shù)據(jù)庫(kù)作為歷史記錄，將后續(xù)掃描生成的輪廓線的端點(diǎn)與歷史記錄比較，去除跳變較大的噪聲點(diǎn)，對(duì)輪廓線進(jìn)行進(jìn)一步的平滑，則該輪廓線表示了室內(nèi)墻壁的邊緣；S412.門(mén)的識(shí)別:首先處理單次激光掃描數(shù)據(jù)并生成室內(nèi)結(jié)構(gòu)的輪廓線，然后遍歷地尋找某條輪廓線終端點(diǎn)與另一條輪廓線起始端點(diǎn)距離等于門(mén)的先驗(yàn)寬度的端點(diǎn)對(duì)，視為門(mén)的候選端點(diǎn)對(duì)，在后續(xù)掃描中記錄所述候選端點(diǎn)對(duì)被找到的次數(shù)，若累計(jì)次數(shù)超過(guò)設(shè)定閾值，則認(rèn)為能夠穩(wěn)定的找到，確定是門(mén)的兩個(gè)邊沿；以及S413窗戶識(shí)別:首先根據(jù)掃描輪廓線和高度信息建立室內(nèi)環(huán)境的三維點(diǎn)云，然后遍歷所述三維點(diǎn)云，在存在明顯突變的深度范圍內(nèi)平行于YOZ平面進(jìn)行切割，獲取沿X方向上的深度不連續(xù)區(qū)域的點(diǎn)云，將Y軸和Z軸坐標(biāo)等分成多個(gè)小區(qū)間，所獲得的點(diǎn)云分別向Y軸和Z軸投影，統(tǒng)計(jì)各個(gè)小區(qū)間中的點(diǎn)云數(shù)目；因窗戶中心點(diǎn)云缺失，投影以后得到的各區(qū)間點(diǎn)云數(shù)目波形為“兩邊大，中間小”，即確定窗戶四個(gè)頂點(diǎn)的Y軸和Z軸坐標(biāo)，其中，步驟S42進(jìn)一步包括:首先激光測(cè)距機(jī)從一定高度緩慢向下掃描并建立點(diǎn)云信息，確保起始掃描高度只能掃描到墻壁，然后將單次掃描到的輪廓線按角度分成多個(gè)小區(qū)間并建立墻壁深度模板，后續(xù)掃描得到的輪廓線與模板比較，相同方位的深度差值若小于事先設(shè)定的閾值，則認(rèn)為仍是墻壁，并將新的掃描深度值與之前的模板值進(jìn)行平均，得到更新模板，若相差大于某一閾值，則認(rèn)為找到了障礙物，每次均將與模板值相差較大的點(diǎn)記錄下來(lái)，這些點(diǎn)組成了室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)中的障礙物。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法至少具有以下有益效果:
(I)適應(yīng)性強(qiáng)，本發(fā)明提出的識(shí)別方法可適用于室內(nèi)窄小、未知結(jié)構(gòu)的環(huán)境探索，所給出的激光掃描數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理方法、掃描輪廓線的生成方法可廣泛用于不同的室內(nèi)結(jié)構(gòu)識(shí)別和分析，具有良好的適應(yīng)性；
(2)可擴(kuò)展性好，本發(fā)明的方法涵蓋了典型室內(nèi)結(jié)構(gòu)，如墻壁、門(mén)、窗戶，以及不同障礙物如桌子、椅子柜子等的識(shí)別。識(shí)別方法簡(jiǎn)單易行，可衍生出對(duì)多種室內(nèi)結(jié)構(gòu)及復(fù)雜形狀物體的識(shí)別手段，具有良好的可擴(kuò)展性；
(3)數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性好，本發(fā)明的激光數(shù)據(jù)處理方法簡(jiǎn)單，室內(nèi)結(jié)構(gòu)輪廓線及點(diǎn)云生成方法簡(jiǎn)便易行，可實(shí)時(shí)生成室內(nèi)結(jié)構(gòu)的輪廓和障礙物的幾何形狀。搭載了激光掃描儀的小型無(wú)人機(jī)，可使用本發(fā)明的方法完成實(shí)時(shí)室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)的識(shí)別和建模。
本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
圖1為本發(fā)明實(shí)施例的基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法流程圖2為本發(fā)明實(shí)施例中所使用的全局坐標(biāo)系示意圖3為本發(fā)明實(shí)施例的墻壁邊緣識(shí)別結(jié)果，白色方塊表示墻的拐角，黑色折線表示墻壁輪廓線；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例的門(mén)的識(shí)別結(jié)果，白色方塊表示歷史累計(jì)次數(shù)超過(guò)閾值且總累計(jì)次數(shù)最多的端點(diǎn)對(duì)，識(shí)別出了門(mén)的邊沿；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例的激光掃描建立的室內(nèi)環(huán)境點(diǎn)云信息；
圖6為本發(fā)明實(shí)施例的窗戶識(shí)別結(jié)果，中間波形的最低點(diǎn)表示了窗戶邊沿坐標(biāo)。
具體實(shí)施方式
在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“縱向”、“橫向”、“長(zhǎng)度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”、“順時(shí)針”、“逆時(shí)針”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上，除非另有明確具體的限定。
在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語(yǔ)應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。
在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過(guò)它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
本發(fā)明實(shí)施例中使用的是日本北洋(Hokuyo)公司生產(chǎn)的二維激光測(cè)距機(jī)，該激光測(cè)距機(jī)的主要性能參數(shù)為:
I)掃描深度范圍:0.1米 30米；
2)掃描角度:-135° +135°，正中間為0° ；
3)掃描頻率:40Hz，即每25ms完成一次270°范圍內(nèi)的掃描；
4)角度分辨率:0.25°，即每次可掃描270/0.25=1080個(gè)點(diǎn)。
如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法，包括以下步驟:S101.設(shè)計(jì)激光掃描數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)掃描點(diǎn)的相鄰角度信息和各自的深度信息，并在掃描開(kāi)始時(shí)確定掃描過(guò)程中使用的全局地圖坐標(biāo)系。S102.采用激光測(cè)距機(jī)獲取激光掃描數(shù)據(jù)，計(jì)算角度相鄰的掃描點(diǎn)間的距離，根據(jù)事先設(shè)定的距離閾值去除距離跳變較大的少數(shù)噪聲點(diǎn)，生成室內(nèi)結(jié)構(gòu)的掃描輪廓線。S103.將掃描輪廓線中各點(diǎn)的全局坐標(biāo)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)比較相鄰幾幀的掃描結(jié)果進(jìn)一步確定掃描輪廓線的全局坐標(biāo)，并結(jié)合高度傳感器信息建立三維環(huán)境點(diǎn)云。S104.根據(jù)激光掃描獲得的多條輪廓線和環(huán)境點(diǎn)云信息，判斷室內(nèi)未知環(huán)境結(jié)構(gòu)如墻壁、門(mén)、窗戶等，以及不同的障礙物如桌、椅、柜子等。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所采用的激光掃描數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括:
float angle_min:激光掃描的起始角度，設(shè)置為-135° ;
float angle_max:激光掃描的終止角度，設(shè)置為+135° ；
float angle_increment:激光束的角度分辨率,設(shè)置為0.5° ；
float range_min:激光掃描點(diǎn)的最小深度信息 ,設(shè)置為0.5米；
float range_max:激光掃描點(diǎn)的最大深度信息,設(shè)置為20米；
float [!ranges:記錄一次掃描后所有被掃描點(diǎn)的深度信息。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用的全局地圖坐標(biāo)系為以所述激光測(cè)距機(jī)的掃描起點(diǎn)為原點(diǎn)O，X軸正向向前，Y軸正向垂直于X軸方向向左，Z軸正向垂直XOY平面方向向上，所述全局地圖坐標(biāo)系滿足右手法則，如圖2所示。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，完成一次掃描后生成掃描輪廓線的實(shí)現(xiàn)步驟為:
a)根據(jù)獲取的激光掃描數(shù)據(jù)計(jì)算各掃描點(diǎn)的角度信息。在ranges數(shù)組中，下標(biāo)為i 的掃描點(diǎn)的角度坐標(biāo) A 為 Ici = angle_min + angle_increment X i。
b)將所有掃描點(diǎn)按角度坐標(biāo)排序，找到各點(diǎn)的相鄰掃描點(diǎn)，并計(jì)算相鄰掃描點(diǎn)之間的距離。設(shè)點(diǎn)m和η的全局坐標(biāo)為(xm，ym，zm)和(xn，yn，zn)，則二者的歐式距離d 為d'mn _ "s/+ (Vm — Vn) + C^m — ^n)~。
c)實(shí)施例中設(shè)定距離判斷閾值T = I米，若一次掃描中3個(gè)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)距離d > T，則認(rèn)為這些點(diǎn)為噪聲點(diǎn)去除掉，否則保留。
d)去除噪聲點(diǎn)后，將余下的點(diǎn)連接起來(lái)，生成多條端點(diǎn)不重合的室內(nèi)環(huán)境輪廓線。
對(duì)于權(quán)利要求書(shū)中保證室內(nèi)環(huán)境輪廓線的準(zhǔn)確性和魯棒性，以及如何建立室內(nèi)環(huán)境的三維點(diǎn)云并識(shí)別特定結(jié)構(gòu)，可在下面敘述的具體實(shí)施例中了解到。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，墻壁邊緣識(shí)別步驟為:
a)處理單次激光掃描的數(shù)據(jù)，去掉噪聲點(diǎn)并提取輪廓線，可得到具有一定數(shù)目連續(xù)點(diǎn)的多條獨(dú)立輪廓線；
b)將輪廓線中各點(diǎn)的全局坐標(biāo)存入歷史記錄數(shù)組中，同時(shí)記錄其全局坐標(biāo)和被找到的次數(shù)；
c)將后續(xù)掃描生成的輪廓線上的點(diǎn)的坐標(biāo)與歷史記錄比較，去除跳變較大的噪聲占.
d)重復(fù)步驟c)，利用相鄰幾次的歷史數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行輪廓線平滑，該輪廓線表示了室內(nèi)墻壁的邊緣。
如圖3所示，白色方塊表示墻的拐角，黑色折線表示墻壁輪廓線。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，門(mén)的識(shí)別步驟為:
a)處理單次激光掃描的數(shù)據(jù)，去掉噪聲點(diǎn)并提取輪廓線，可得到具有一定數(shù)目連續(xù)點(diǎn)的多條獨(dú)立輪廓線；
b)遍歷得到的輪廓線，尋找某條輪廓線終端點(diǎn)與另一條輪廓線起始端點(diǎn)距離大約為I米(門(mén)的先驗(yàn)寬度)的兩個(gè)點(diǎn)；
c)每次掃描，將步驟b)中找到的所有滿足條件的點(diǎn)都存入歷史記錄數(shù)組中，同時(shí)記錄端點(diǎn)的全局坐標(biāo)和該端點(diǎn)對(duì)歷史累計(jì)被找到的次數(shù)；
d)后續(xù)掃描中，對(duì)于每次新找到的門(mén)，從歷史數(shù)據(jù)中找到與之最近且其距離小于一定閾值的端點(diǎn)對(duì)，若存在這樣的端點(diǎn)對(duì)，則該端點(diǎn)對(duì)累計(jì)被找到的次數(shù)增加I ;否則該端點(diǎn)對(duì)為第一次找到，將其存入歷史記錄數(shù)組，被找到的次數(shù)初始化為I;
e)重復(fù)步驟d)直到某端點(diǎn)對(duì)被找到的次數(shù)累計(jì)超過(guò)設(shè)定的閾值，則認(rèn)為該端點(diǎn)對(duì)能夠穩(wěn)定地被找到，是門(mén) 的兩個(gè)邊沿；若存在多個(gè)被找到的次數(shù)超過(guò)閾值的端點(diǎn)對(duì)，則給出累計(jì)次數(shù)最多的；
f)每次給出累計(jì)次數(shù)最多的端點(diǎn)對(duì)后，立即將該端點(diǎn)對(duì)的歷史累計(jì)次數(shù)置零，以免干擾對(duì)其他門(mén)邊沿的識(shí)別。
如圖4所示，白色方塊表示歷史累計(jì)次數(shù)超過(guò)閾值且總累計(jì)次數(shù)最多的端點(diǎn)對(duì)，識(shí)別出了門(mén)的邊沿。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，窗戶的識(shí)別步驟為:
a)根據(jù)激光測(cè)距機(jī)掃描到的室內(nèi)結(jié)構(gòu)輪廓線，結(jié)合高度傳感器信息將不同的輪廓線進(jìn)行堆疊，獲得室內(nèi)環(huán)境的三維點(diǎn)云，如圖5所示；
b)遍歷點(diǎn)云，在存在明顯深度突變的范圍內(nèi)平行于YOZ平面進(jìn)行切割，獲取沿X方向上的深度不連續(xù)區(qū)域的點(diǎn)云；實(shí)施例中深度突變范圍為2.9米 3.1米，切割后得到包含窗戶(即深度不連續(xù)區(qū)域)且整體范圍較小的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
c)將Y軸等分成N個(gè)坐標(biāo)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)落在各區(qū)間內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)目。因窗戶中心處點(diǎn)云缺失，得到的各區(qū)間點(diǎn)云數(shù)目的波形為“兩邊大，中間小”；
d)根據(jù)波形預(yù)估窗戶大小，并設(shè)置合適的均值濾波窗口對(duì)波形進(jìn)行濾波。濾波后波形的波谷點(diǎn)即為窗戶的邊沿坐標(biāo)，如圖6所示。利用預(yù)估窗戶尺寸即可得到窗戶左右邊沿的坐標(biāo)；
e)保留點(diǎn)云數(shù)據(jù)中Y軸坐標(biāo)在左右邊沿之間的點(diǎn)云，將Z軸等分成N個(gè)坐標(biāo)區(qū)間后，向Z軸投影，用計(jì)算左右邊沿相同的方法，計(jì)算窗戶的上下邊沿坐標(biāo)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，桌椅等障礙物識(shí)別步驟為:
a)激光測(cè)距機(jī)從一定高度緩慢向下掃描并建立點(diǎn)云信息，確保起始掃描高度只能掃描到墻壁；
b)將單次掃描到的輪廓線按角度分成多個(gè)小區(qū)間，對(duì)各小區(qū)間內(nèi)點(diǎn)云的深度取平均值，得到各方位墻壁深度的模板值；
c)后續(xù)掃描得到的深度信息與模板比較。若相同方位上深度相差小于閾值，則認(rèn)為仍是墻壁，并將新的深度值與之前的模板值進(jìn)行平均，得到更新后的模板；若相差大于閾值，則認(rèn)為找到了桌、椅、柜子等障礙物；
d)重復(fù)步驟c)并記錄與模板深度相差較大的點(diǎn)的全局坐標(biāo)，計(jì)算這些點(diǎn)的重心坐標(biāo)，可以得到障礙物大致的世界坐標(biāo)。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法至少具有以下有益效果:
(I)適應(yīng)性強(qiáng)，本發(fā)明提出的識(shí)別方法可適用于室內(nèi)窄小、未知結(jié)構(gòu)的環(huán)境探索，所給出的激光掃描數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理方法、掃描輪廓線的生成方法可廣泛用于不同的室內(nèi)結(jié)構(gòu)識(shí)別和分析，具有良好的適應(yīng)性；
(2)可擴(kuò)展性好，本發(fā)明的方法涵蓋了典型室內(nèi)結(jié)構(gòu)，如墻壁、門(mén)、窗戶，以及不同障礙物如桌子、椅子柜子等的識(shí)別。識(shí)別方法簡(jiǎn)單易行，可衍生出對(duì)多種室內(nèi)結(jié)構(gòu)及復(fù)雜形狀物體的識(shí)別手段，具有良好的可擴(kuò)展性；
(3)數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性好，本發(fā)明的激光數(shù)據(jù)處理方法簡(jiǎn)單，室內(nèi)結(jié)構(gòu)輪廓線及點(diǎn)云生成方法簡(jiǎn)便易行，可實(shí)時(shí)生成室內(nèi)結(jié)構(gòu)的輪廓和障礙物的幾何形狀。搭載了激光掃描儀的小型無(wú)人機(jī)，可使用本發(fā)明的方法實(shí)時(shí)完成室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)的識(shí)別和建模。
流程圖中或在此以其他方式描述的任何過(guò)程或方法描述可以被理解為，表示包括一個(gè)或更多個(gè)用于實(shí)現(xiàn)特定邏輯功能或過(guò)程的步驟的可執(zhí)行指令的代碼的模塊、片段或部分，并且本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的范圍包括另外的實(shí)現(xiàn)，其中可以不按所示出或討論的順序，包括根據(jù)所涉及的功能按基本同時(shí)的方式或按相反的順序，來(lái)執(zhí)行功能，這應(yīng)被本發(fā)明的實(shí)施例所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。
在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。
權(quán)利要求
1.一種基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法，其特征在于，包括以下步驟: .51.設(shè)計(jì)激光掃描數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并確定掃描過(guò)程中使用的全局地圖坐標(biāo)系； .52.采用激光測(cè)距機(jī)獲取激光掃描數(shù)據(jù)，計(jì)算角度相鄰的掃描點(diǎn)間的距離，并進(jìn)行去噪預(yù)處理，生成室內(nèi)結(jié)構(gòu)的掃描輪廓線； .53.將所述掃描輪廓線中各點(diǎn)的全局坐標(biāo)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合高度傳感器信息建立三維環(huán)境點(diǎn)云；以及 .54.根據(jù)所述掃描輪廓線和所述環(huán)境點(diǎn)云，判斷室內(nèi)未知環(huán)境結(jié)構(gòu)以及障礙物信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法，其特征在于，所述激光測(cè)距機(jī)為二維激光測(cè)距機(jī)，能夠按照一定頻率掃描室內(nèi)環(huán)境中某一高度水平面上的周?chē)c(diǎn)的深度信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法，其特征在于，所述激光掃描數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括:激光掃描的起始角度f(wàn)loat angle_min ;激光掃描的終止角度f(wàn)loat angle_max ;激光束的角度分辨率float angle_increment ;激光掃描點(diǎn)的最小深度信息float range_min ;激光掃描點(diǎn)的最大深度信息float range_max ;以及，記錄一次掃描后所有被掃描點(diǎn)的深度信息為float Granges。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法，其特征在于，所述全局地圖坐標(biāo)系為:以所述激光測(cè)距機(jī)的掃描起點(diǎn)為原點(diǎn)0，X軸正向向前，Y軸正向垂直于X軸方向向左，Z軸正向垂直XOY平面方向向上，所述全局地圖坐標(biāo)系滿足右手法則。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法，其特征在于，所述步驟S2進(jìn)一步包括: 521.根據(jù)獲取的激光掃描數(shù)據(jù)，計(jì)算各掃描點(diǎn)的角度信息，記所述ranges數(shù)組中下標(biāo)為i的掃描點(diǎn)的角度坐標(biāo)A為rfanglejnin+anglejncrementX i ； 522.將多個(gè)掃描點(diǎn)按照角度坐標(biāo)排序，找到各點(diǎn)的相鄰掃描點(diǎn)，并計(jì)算相鄰掃描點(diǎn)之間的距離； 523.根據(jù)環(huán)境信息設(shè)定距離判斷閾值T，若一次掃描中某點(diǎn)與其他點(diǎn)距離d>T，則認(rèn)為是為噪聲點(diǎn)去除掉，否則保留；以及 524.去除噪聲點(diǎn)之后，將余下的點(diǎn)連接起來(lái)，形成多條端點(diǎn)不重合的室內(nèi)環(huán)境輪廓線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法,其特征在于,所述步驟S23與所述步驟S24之間還包括:將所述掃描輪廓線中各點(diǎn)全局坐標(biāo)存入數(shù)據(jù)庫(kù)并作為歷史記錄，每次實(shí)時(shí)掃描生成輪廓線后與歷史記錄比較，若當(dāng)次計(jì)算出的輪廓線上某點(diǎn)坐標(biāo)與歷史記錄相差超過(guò)閾值T，則認(rèn)為是噪聲點(diǎn)，去除該點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法，其特征在于，所述步驟S3包括:在獲得了不同高度的室內(nèi)結(jié)構(gòu)的掃描輪廓線后，根據(jù)高度傳感器給出的高度信息將不同的輪廓線進(jìn)行堆疊，獲得室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)的三維點(diǎn)云信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法，其特征在于，所述步驟S4進(jìn)一步包括: S41.根據(jù)所述掃描輪廓線和所述環(huán)境點(diǎn)云，結(jié)合室內(nèi)未知環(huán)境的先驗(yàn)信息，進(jìn)行墻壁、門(mén)、窗戶的基本結(jié)構(gòu)識(shí)別3PS42.繼續(xù)進(jìn)行障礙物的識(shí)別， 其中，所述步驟S41進(jìn)一步包括:. 5411.墻壁識(shí)別:首先處理單次激光掃描數(shù)據(jù)并生成室內(nèi)結(jié)構(gòu)的輪廓線，然后將輪廓線上的端點(diǎn)坐標(biāo)存入數(shù)據(jù)庫(kù)作為歷史記錄，將后續(xù)掃描生成的輪廓線的端點(diǎn)與歷史記錄比較，去除跳變較大的噪聲點(diǎn)，對(duì)輪廓線進(jìn)行進(jìn)一步的平滑，則該輪廓線表示了室內(nèi)墻壁的邊緣；. 5412.門(mén)的識(shí)別:首先處理單次激光掃描數(shù)據(jù)并生成室內(nèi)結(jié)構(gòu)的輪廓線，然后遍歷地尋找某條輪廓線終端點(diǎn)與另一條輪廓線起始端點(diǎn)距離等于門(mén)的先驗(yàn)寬度的端點(diǎn)對(duì)，視為門(mén)的候選端點(diǎn)對(duì)，在后續(xù)掃描中記錄所述候選端點(diǎn)對(duì)被找到的次數(shù)，若累計(jì)次數(shù)超過(guò)設(shè)定閾值，則認(rèn)為能夠穩(wěn)定的找到，確定是門(mén)的兩個(gè)邊沿；以及 S413窗戶識(shí)別:首先根據(jù)掃描輪廓線和高度信息建立室內(nèi)環(huán)境的三維點(diǎn)云，然后遍歷所述三維點(diǎn)云，在存在明顯突變的深度范圍內(nèi)平行于YOZ平面進(jìn)行切割，獲取沿X方向上的深度不連續(xù)區(qū)域的點(diǎn)云，將Y軸和Z軸坐標(biāo)等分成多個(gè)小區(qū)間，所獲得的點(diǎn)云分別向Y軸和Z軸投影，統(tǒng)計(jì)各個(gè)小區(qū)間中的點(diǎn)云數(shù)目；因窗戶中心點(diǎn)云缺失，投影以后得到的各區(qū)間點(diǎn)云數(shù)目波形為“兩邊大，中間小”，即確定窗戶四個(gè)頂點(diǎn)的Y軸和Z軸坐標(biāo)， 其中，步驟S42進(jìn)一步包括:首先激光測(cè)距機(jī)從一定高度緩慢向下掃描并建立點(diǎn)云信息，確保起始掃描高度只能掃描到墻壁，然后將單次掃描到的輪廓線按角度分成多個(gè)小區(qū)間并建立墻壁深度模板，后續(xù)掃描得到的輪廓線與模板比較，相同方位的深度差值若小于事先設(shè)定的閾值，則認(rèn)為仍是墻壁，并將新的掃描深度值與之前的模板值進(jìn)行平均，得到更新模板，若相差大于某一閾值，則認(rèn)為找到了障礙物，每次均將與模板值相差較大的點(diǎn)記錄下來(lái)，這些點(diǎn)組成了室 內(nèi)未知結(jié)構(gòu)中的障礙物。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于激光掃描的室內(nèi)未知結(jié)構(gòu)識(shí)別方法，包括設(shè)計(jì)激光掃描數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并確定掃描過(guò)程中使用的全局地圖坐標(biāo)系；采用激光測(cè)距機(jī)獲取激光掃描數(shù)據(jù)，計(jì)算角度相鄰的掃描點(diǎn)間的距離，并進(jìn)行去噪預(yù)處理，生成室內(nèi)結(jié)構(gòu)的掃描輪廓線；將掃描輪廓線中各點(diǎn)的全局坐標(biāo)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合高度傳感器信息建立三維環(huán)境點(diǎn)云；以及根據(jù)掃描輪廓線和環(huán)境點(diǎn)云，判斷室內(nèi)未知環(huán)境結(jié)構(gòu)以及障礙物信息。本發(fā)明的方法結(jié)構(gòu)完整，數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性好，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性、可擴(kuò)展性。
文檔編號(hào)G06K9/62GK103148804SQ20131006836
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者戴瓊海, 李一鵬 申請(qǐng)人:清華大學(xué)