基于多传感器融合的车针跟踪研究

作     者：周宛如 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘宝龙;李永强

授予年度：2023年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 0836[工学-生物工程] 

主      题：灯塔激光技术 单目相机 PNP算法 融合定位 扩展的卡尔曼滤波 

摘      要：随着数字化技术与手术导航技术的快速发展,口腔植入引导技术已成为现代口腔种植导航及相关诊疗器械研究的重点。本文针对当前种植导航领域的热点问题,研究了基于多传感器融合的车针目标跟踪方案,采用基于灯塔激光的VR定位技术和相机光学定位技术,提出的融合方案包括预处理阶段、基于不同传感器的初步定位解算阶段、数据融合测试阶段。研究包括基于不同传感器定位的目标位姿解算模型和种植导航的误差控制、多传感器融合方案的实现及测试等,并通过测量,验证了融合方案的有效性。论文重点研究内容包括以下三个部分:1)根据相关定位技术与融合算法理论,本文提出基于多传感器融合的车针目标跟踪研究方案。对于口腔种植手术而言,本文选用灯塔激光传感器、单目相机、手术车针等硬件设备。该部分首先进行了设备标定实验,获取标定参数与误差,然后介绍了基于不同传感器的定位技术原理。2)采用灯塔激光与单目相机融合的定位算法处理初始信号不稳定、探测范围受限以及光源强度变化时定位误差增大的问题。对于灯塔激光的VR定位部分,采用激光扫描与信号回传的数据进行目标的空间姿态解算,初始结果表明数据稳定性有待提高。相机部分根据PNP算法求解带有特定标码的目标位姿,通过设置合适的图像帧处理阈值,将其作为滑动窗口降低求解姿态时的系统运算量,提高系统实时性。3)针对不同数据融合算法的优缺点提出改进策略。融合前完成对不同定位结算模型的参考坐标系进行联合标定统一坐标,由于不同传感器工作频率的不同,然后基于采样的时间戳对两组数据进行下采样提取,最后建立系统状态模型,采用改进的EKF算法进行多源数据融合处理,进而实现通过融合数据更新和借助单目相机数据修正灯塔激光不稳定的、跳变的误差数据。经仿真实验测试,轨迹跟踪误差达到了实际定位误差的精度要求,测算误差可以控制在0.18mm以内。对比目前产品在临床种植导航手术中0.2mm的定位种植精度,验证了本文提出的融合定位方案具有一定实际应用意义,最终符合数字化口腔种植导航的手术精度要求。