基于二维激光雷达数据融合的巷道三维重建方法研究

作     者：杨芳 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于殿泓

授予年度：2024年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 081001[工学-通信与信息系统] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：煤矿巷道 二维激光雷达 三维重建 点云去噪 数据融合 

摘      要：安全、高效开采煤炭行业发展的前提保障,煤矿巷道环境信息获取技术是目前主要研究方向。传统煤矿井下巷道环境探测方法存在信息不全面、数据形式不直观、精度低、成本高等问题。本课题提出以二维激光雷达为测距传感器,结合单目相机与激光雷达数据融合的技术完成巷道三维空间信息获取及可视化呈现,为煤矿行业智能化发展提供理论基础。 针对二维激光雷达单线扫描无法直接获取三维数据的问题,采用固定轴旋转方式,增加二维激光雷达扫描自由度,通过控制步进电机实现激光雷达俯仰旋转,针对二维激光雷达存在扫描盲区问题,增加水平旋转,完成巷道环境自动化三维扫描。并考虑激光雷达输出数据特点,控制步进电机实现水平旋转改善远距离扫描数据稀疏的问题。 为了提高三维重建结果质量,对二维激光雷达扫描煤矿巷道的输出数据进行处理。首先采用滑动窗口平均插值法处理数据中的无效数据,并完成激光雷达数据的坐标转换;其次为更好保留表征细节的点云或稀疏有效点云,研究了先分类再滤波的点云去噪方法;然后针对不同采集位置巷道点云拼接精度低的问题,研究基于球形标靶完成粗配准、迭代算法实现精配准的巷道拼接方案;最后为解决传统人工巷道测量效率低的问题,研究了巷道点云中线提取方法,以直线拟合与多项式拟合结合的方法提高中线提取的准确性,并测量巷道高度、宽度。 针对二维激光雷达在扫描巷道时无法获取巷道纹理色彩信息的问题,研究以数据融合技术为基础的二维激光雷达与相机数据融合的巷道三维重建方案。设计一种特殊镂空标定板实现二维激光雷达与相机标定,通过提取标定板特征点位置点云与像素,建立激光雷达点云坐标与图像像素坐标转换关系,得到三维数据到二维数据投影关系,实现两个传感器数据融合。 最后,搭建基于二维激光雷达的巷道三维扫描实验平台,开展重建方法验证实验和数据处理方法验证实验,并分析实验结果。实验结果显示,三维扫描系统测量误差在测量距离为6m范围内平均误差不超过0.03m;在对不同噪声水平点云进行去噪处理时,本课题滤波方法去噪精度高且稳定;选取相邻三个采集位置点云进行点云拼接实验,相邻采集位置重叠率高且均方根误差小于0.015m;在激光雷达与相机数据融合实验之前,先进行传感器标定实验,并与Autoware方法得到的标定结果进行对比分析,可得,本文标定方法重投影误差小,最后以楼道模拟巷道作为实验对象,得到融合后三维点云数据,完成对模拟巷道的三维重建。