森林环境中移动机器人自然路标提取方法
【专利摘要】本发明涉及一种森林环境中移动机器人自然路标提取方法。陆标是机器人定位与导航的指示，在未知环境下不存在预先设置的陆标，需要从环境中提取自然特征作为陆标。本发明路标提取方法包括：对森林环境进行三维激光扫描、对扫描结果进行面向树干的点云分割、进行几何元素的抽取、进行树干分段的聚类与整合，并最终得到唯一代表树木的直树干作为路标。该方法提取森林环境中的树干作为自然路标，能够从杂乱复杂的森林环境中提取树干及其几何特征，用于移动机器人定位与导航。该方法解决了森林环境中机器人定位与导航的难题，能够在码盘、视觉传感器以及GPS系统难以有效提供机器人定位的非结构森林环境中提取高质量的自然特征路标。
【专利说明】森林环境中移动机器人自然路标提取方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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】
[0004]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。
[0005]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�。拥闶∩偾冶辉肷扇叛现氐娜柚刑崛∈鞲傻募负文Ｐ停咛宸椒ǚ治霾街�:
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。
[0006]第2.从第I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)。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为自然路标提取流程图。
[0012]图2为二维扫描平面与树干相交所获得扫描分段示意图。
[0013]图3为圆 模型半径的上界和下界，Ca)下界，(b)上界。
[0014]图4为当点尸或6不在相应轴线上时轴线鴣和七的距离。
[0015]图5为树干分段空间不连续的三种情况，Ca)断裂，(b)弯曲，(c)分叉。
[0016]图6为带有斜坡的森林场景的原始3D扫描。
[0017]图7为图6中带有斜坡的森林场景的路标提取结果。
[0018]【具体实施方式】
[0019]一、面向树干的三维点云分割
对森林环境进行三维激光扫描检测，机器人以某个位姿对特定场景进行扫描所得到的三维点云被称为一幅三维扫描。一幅三维扫描由二维激光传感器通过俯仰操作在不同扫描平面获取的2D扫描数据组成，因此可将在一个扫描平面中获取的数据称为三维扫描的一行，据此三维点云的排布即可看作一个ATxiMr的二维矩阵。由于俯仰式三维激光传感器固有的取样方式，N个二维扫描平面并不是互相平行的，间距也不尽相同。使用#表示当前扫描平面和局部基准平面之间的扫描夹角，则可获得如下的矩阵描述:
三维扫描S包含JSr行，,其中，為表不第I个扫描平面获得的扫描
数据行，螓为第i行扫描对应的扫描夹角，且有。每一行都包含Af个数据
点,為Ua，…,?},乓位代表第?行j列位置的扫描点，i = X ,N: J=X ,N0
[0020]为了从点云中获取环境信息，需要对点云进行分割，目的是将每个二维扫描线按照是否击中同一物体为依据划分为分段。由于本方法的最终目标是提取树干，所以算法将首先围绕树干的几何特征对点云进行有针对性的分割。
[0021]利用两个物体之间的空隙可知，若同一个二维扫描平面上的两扫描点之间存在未击中任何物体的激光射线，即两扫描点不是连续的，则它们一定分属于不同物体。[0022]另外，对于连续扫描点1|和^来说，如果从机器人的视角观察，它们击中的是前
后互相遮挡的两棵树木，则也应被分开，为了分割此时的二维线段，根据树干轮廓的圆柱形特征对扫描点进行投影。依据立体几何的相关背景知识可以得知，直圆柱体的任何截面，不论是倾斜还是水平，椭圆还是正圆，沿其轴线投影后都对应于圆柱体的正圆形底面。而树木恰好可以用直圆柱体进行建模。虽然击中同一树干的扫描段之间并不平行，但它们的投影
可归结为同一圆�。庋徒�3D问题转化成了 2D问题。若点pm和pu满足如下两个条件之一，则它们可以区分两个相邻分段今和sk+1 I)晷和辱不是二维扫描行馬上的连续点。
[0023]2) Pa和乓是鳥上的连续点，但它们投影之间的欧氏距离大于阈值。
[0024]当二维扫描平面分割完毕，需要将扫描分段筛选组合成蕴含高层信息的树干分段。解决该问题的基本思路是使用扫描分段的质心描述其位置，依据各分段在竖直空间的相邻性将它们顺次连接成分组，并根据扫描分段的长度和分组的高度判别哪些分组描述的是树干或粗壮树杈。
[0025]为衡量各扫描分段在三维空间中的关系，首先需要描述各扫描分段的位置。将三维扫描第i行上的第/个分段记作％。由于同一二维扫描平面上的扫描分段高度不尽相同，
因此使用行索引?标识扫描分段在竖直方向上的位置。另外，在水平方向上，将％投影于局
部基准平面得到&。?被览度1%和质心~描述，其中定乂为?的开始点和结束点
在全局基准平面投影点的欧式距离，是％中所有点在局部基准平面上的平均位置。
[0026]树干分段可以看作由一组空间上相邻的扫描分段组成。这些扫描分段来自连续的二维扫描平面。因此，第k个树干分段被表示为,并且各扫描夹角之间
有钱 <毳<--<爽，其中，>--->4是》个连续二维扫描平面的索引。
[0027]为了构造树干分段，需要过滤掉过长的扫描分段。如果~的宽度满足如下条件: 说明％可以看作是半径不超过上限U的直圆柱体上的�。颍タ赡芑袢∽允鞲�。反之，定取自连绵的地面或茂密的树冠。
[0028]在第一次过滤后，候选树干分段将被逐层构造。构造算法将从空的树干集合T开始，按照#的升序，为每一个扫描分段％搜索它从属的树干分段。针对当前的％，算法检查T中现有的每一个树干分段4如果没有树干分段满足近邻条件，则说明到目前为止，在空间中尚没有形成和％邻近的分组，因此％独自开始一个新的分组U =(%}，并将U加入集合I.。否则，将％作为最后一个扫描分段加入它从属的树干分段。
[0029]组成树干分段的各扫描分段将按照其所在二维扫描平面的夹角旁升序排列，具有最大.的扫描分段记作。根据垂直方向上的扫描顺序，4*是.%中最接近％的扫描分段。因此，如果％属于％，那么％应该位于的邻域内。基于上文提到的描述扫描分段的两个分量..％和/%_，当如下两个条件同时满足时，％被认为位于^的近邻:
【权利要求】
1.一种森林环境中移动机器人自然路标提取方法，其特征在于该方法包括步骤: 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I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； 第3.通过分析树干分段的空间不连续类型，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。
【文档编号】G01C21/00GK103575272SQ201310568954
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2013年11月15日
【发明者】孙凤池, 宋萌, 代晓芳, 苑晶, 耿达 申请人:南开大学
