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基于运动预测的改进激光里程计

激光与光电子学进展 2024年第5期61卷 505-513页

作者：秦正高向川陈政康录一凡屈凌波郑州大学电气与信息工程学院河南郑州450001 河南省先进移动通信与应用工程研究中心河南郑州450001 郑州大学电子材料与系统国际联合研究中心河南郑州450001 郑州大学化学学院河南郑州450001

针对室外大范围建图场景中激光里程计输出的运动轨迹漂移问题,在仅使用激光雷达构建里程计条件下,基于正态分布变换提出一种连续运动预测算法来提高点云匹配初始值估计精度,然后在点云匹配时使用帧与局部地图匹配代替帧间匹配,有效抑制... 详细信息

针对室外大范围建图场景中激光里程计输出的运动轨迹漂移问题,在仅使用激光雷达构建里程计条件下,基于正态分布变换提出一种连续运动预测算法来提高点云匹配初始值估计精度,然后在点云匹配时使用帧与局部地图匹配代替帧间匹配,有效抑制了运动轨迹的漂移。仿真中采用Kitti数据集的2个不同场景进行验证,结果表明:所提的激光里程计改进算法,分别使运动轨迹的全局平均误差降低了27.93%、36.66%,其中三维运动轨迹竖直方向(Z轴)上的偏移最大值分别降低了70.29%、82.52%。所提的改进激光里程计有效抑制了运动轨迹漂移。

关键词：激光里程计正态分布变换点云匹配运动预测

基于目标散射角特征的毫米波雷达六自由度位姿估计方法研究

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基于目标散射角特征的毫米波雷达六自由度位姿估计方法研究

作者：张俊北方工业大学

学位级别：硕士

在雨雪等环境中实施自动驾驶时,毫米波雷达利用同步定位与地图构建(SLAM)技术,可以实时确定雷达的位置和姿态,并基于雷达观测数据构建环境地图。在激光雷达和光学相机无法正常工作时,4D毫米波雷达能测量目标点云的三维空间坐标,在经过S... 详细信息

在雨雪等环境中实施自动驾驶时,毫米波雷达利用同步定位与地图构建(SLAM)技术,可以实时确定雷达的位置和姿态,并基于雷达观测数据构建环境地图。在激光雷达和光学相机无法正常工作时,4D毫米波雷达能测量目标点云的三维空间坐标,在经过SLAM技术处理后,能够估计雷达自身的六自由度位姿信息。然而,单帧4D毫米波雷达的点云密度较低(400～1000点/帧),限制了其获取目标几何特征的能力。本研究针对4D毫米波雷达数据稀疏,难以提取点云几何特征的问题,提出了一种新的基于目标散射角特征的毫米波雷达六自由度位姿估计方法。该方法包括基于4D毫米波雷达的三维散射角特征计算方法,基于散射角特征的前端扫描匹配方法以及基于散射角特征的后端优化方法三个部分,具体工作如下:(1)建立了4D毫米波雷达三维散射角特征计算方法。本文通过分析SLAM过程中目标散射角的变化规律,基于散射角变化过程分别构建了方位散射角和俯仰散射角计算公式。通过实际数据验证了子图间同一目标的散射角特征有较强一致性,可用于提升扫描匹配的准确性。(2)提出了基于散射角特征的正态分布变换扫描匹配(SAF-NDT)方法。广义迭代最近点(GICP)方法和正态分布变换(NDT)方法在点云稀疏时难以利用点云的空间分布特征获得高精度的扫描匹配结果。针对该问题,本研究提出了将散射角特征加入NDT优化目标函数的SAF-NDT方法。通过对比实验验证了SAF-NDT方法的位姿估计精度优于GICP和NDT方法,但在垂直方向上的位姿估计精度仍存在不足。(3)提出了融合惯性测量单元(IMU)约束的SAF-IMU毫米波雷达六自由度位姿估计方法,修正了SAF-NDT算法残留的垂直方向误差。针对SAF-NDT方法估计垂直方向精度低的问题,引入IMU数据作为补充约束条件,通过扩展卡尔曼滤波器融合IMU约束和SAF-NDT输出的前端位姿约束。通过消融实验证明了SAF-IMU毫米波雷达六自由度位姿估计方法能进一步提升垂直方向上的位姿估计精度。

关键词： 4D毫米波雷达同步定位与地图构建扩展卡尔曼滤波散射角特征正态分布变换惯性测量单元

面向果园SLAM建图的二阶弹簧阻尼激光雷达被动隔振方法研究

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面向果园SLAM建图的二阶弹簧阻尼激光雷达被动隔振方法研究

作者：靳力春杭州电子科技大学

学位级别：硕士

现代农业科技的发展日益深化,激光雷达SLAM建图技术对农业机器人是最为基础且重要的一环。果园环境中,果园地形的不平整使激光雷达在运行时出现振动现象,造成激光雷达点云数据的稳定性和准确性下降,进而影响果园建图的精确性。然而当前... 详细信息

现代农业科技的发展日益深化,激光雷达SLAM建图技术对农业机器人是最为基础且重要的一环。果园环境中,果园地形的不平整使激光雷达在运行时出现振动现象,造成激光雷达点云数据的稳定性和准确性下降,进而影响果园建图的精确性。然而当前国内外在针对轻小型精密仪器的隔振方法方面研究较少,尽管主动式和半主动式隔振器能提供解决方案,但它们通常伴随着成本高、效率低和维护困难等问题。基于上述问题,本文首先设计了一种基于二阶弹簧阻尼系统的被动式隔振器机构,其次对隔振后采集的点云数据多阶段滤波优化处理,最后通过正态分布变换算法在果园中建图来提高果园建图精度。主要研究内容如下:1.采集果园地面的振动数据,通过傅里叶变换,从时域和频域两个维度对振动信息进行提取与分析,作为设计隔振机构的理论依据。首先搭建路面振动信息采集系统,通过装载在移动底盘上的惯性传感器在不同路面0.2m/s和0.7m/s的速度下进行多组实验数据采集。其次对采集数据进行分析,结果显示,在0.7m/s的速度下加速度最高峰值可以达到1.12g,且在0.2m/s运动速度下,振动频率大多集中在0-5 Hz区间,主要的峰值出现在5 Hz附近;在0.7m/s运动速度下,振动频率主要集中在0-15 Hz区间,主要的峰值则位于10 Hz附近。可以看出无论在何种速度实验条件下,果园中的路面振动都主要是低频振动。2.通过数学建模、动态仿真、响应面分析方法选择最优杆长、装配角度、弹簧刚度、阻尼系数的结构参数,构建基于二阶弹簧阻尼振动系统的被动式隔振器机构。首先通过理论分析得到不同参数之间的交互影响关系,结果表明,调整结构参数,可以自由调节系统的刚度和阻尼特性,从而能获得更好的隔振性能。其次通过仿真实验对比分析发现,在低频振动环境,基于二阶弹簧阻尼振动系统的被动式隔振机构效果优于传统隔振器一倍以上,且共振频率更小,峰值更低,峰值频率更稳定。最后在果园中,移动底盘0.7m/s运动速度下隔振后的加速度最高峰值减小到1.08g。3.搭建隔振平台,在安装隔振器的情况下使用激光雷达采集数据,采取分阶段的滤波策略来提高正态分布变换算法在建图中的准确性和效率。首先搭建实验台,通过移动底盘上安装被动式隔振器的激光雷达采集点云数据,分析不同振动频率对建图结果的影响,实验结果表明振动频率逐渐增大时,点云数据噪声增加,空间分辨率降低,点云的精细细节损失。当振动频率为10 Hz时,离群点数量达到463。其次使用离群点移除滤波,体素滤波,高斯滤波对点云数据处理。最后滤波清洗和平滑后的数据应用于正态分布变换算法建图,结果显示相较于原始点云,经过隔振和滤波后的点云更加紧凑和清晰,树木的主要结构和枝条更加明显,点云的密度也更高,增强了特征的可识别性。

关键词：果园环境低频振动被动式隔振器响应面试验正态分布变换

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基于全局特征地图的由粗到细点云配准算法

自动化与信息工程 2024年第2期45卷 14-21页

作者：李文林旭滨广东工业大学广东广州510006

针对现有点云配准算法在非重复扫描式激光雷达上存在精度低、鲁棒性差、通用性差等问题,提出一种基于全局特征地图的由粗到细点云配准算法(CTF-ICP),并实现非重复扫描式激光雷达里程计。该算法利用高斯分布表征局部点云分布,构建全局特... 详细信息

针对现有点云配准算法在非重复扫描式激光雷达上存在精度低、鲁棒性差、通用性差等问题,提出一种基于全局特征地图的由粗到细点云配准算法(CTF-ICP),并实现非重复扫描式激光雷达里程计。该算法利用高斯分布表征局部点云分布,构建全局特征地图。配准阶段包含粗配准和精配准。首先,采用正态分布变换在连续点云帧之间实现帧到帧的粗配准;然后,根据粗配准的结果将当前点云映射到全局特征地图,并将对应位置的全局特征协方差矩阵的特征值进行归一化,实现帧到地图的精配准;最后,将该文算法与其他常用的配准算法进行对比实验。实验结果表明:该文算法能够较好地适应非重复扫描式激光雷达,配准精度和速度比常用的配准算法都有明显提升;同时,消融实验证明了由粗到细的点云配准算法以及全局特征地图的有效性。

关键词：全局特征地图由粗到细点云配准算法非重复扫描式激光雷达里程计高斯分布正态分布变换

基于正态分布变换的多位姿手掌部三维静脉识别

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北京理工大学学报 2018年第8期38卷 848-853,860页

作者：周雅齐勇胡晓明胡馨然王楠北京理工大学光电学院北京100081 北京理工大学生命学院北京100081

研究基于三维点云匹配的多位姿手部静脉识别.考虑手部静脉点云的特点,结合双目视觉原理,建立了一种结合三维特征阵列和静脉点云的扩展数据库,提出了一种基于三维特征阵列的静脉点云粗配准算法.在双目静脉图像中提取稳定特征并重建为三... 详细信息

研究基于三维点云匹配的多位姿手部静脉识别.考虑手部静脉点云的特点,结合双目视觉原理,建立了一种结合三维特征阵列和静脉点云的扩展数据库,提出了一种基于三维特征阵列的静脉点云粗配准算法.在双目静脉图像中提取稳定特征并重建为三维特征,根据三维特征匹配结果初步消除静脉点云位姿差异.并采用改进的正态分布变换算法完成静脉点云匹配.实验表明,本文算法能够有效提高多位姿下的静脉点云识别率,即使手部位姿变化范围较大时,系统的识别率仍超过90%.

关键词：静脉识别三维重建点云匹配正态分布变换

基于重力约束正态分布变换的室内3维地图重建方法

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上海交通大学学报 2018年第1期52卷 26-32页

作者：戚明旭杨明王春香王冰上海交通大学自动化系上海200240 上海交通大学上海市北斗导航与位置服务重点实验室上海200240 上海交通大学机器人研究所上海200240

提出一种基于改进正态分布变换的室内3维地图离线重建方法.通过加入重力方向约束来矫正地图形变,采用循环梯度配准方法提高配准成功率,并结合图优化的后端优化算法对所建地图进行优化.同时,采用摆动单线激光获取室内点云原始数据并进行... 详细信息

提出一种基于改进正态分布变换的室内3维地图离线重建方法.通过加入重力方向约束来矫正地图形变,采用循环梯度配准方法提高配准成功率,并结合图优化的后端优化算法对所建地图进行优化.同时,采用摆动单线激光获取室内点云原始数据并进行实验,以验证所提方法的正确性.结果表明,利用该地图重建方法能够建立高精度的室内3维地图.

关键词：室内3维地图重建重力约束正态分布变换循环梯度配准图优化

基于拟牛顿法改进的3D正态分布变换点云配准算法

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地理信息世界 2017年第5期24卷 42-44页

作者：王鹏李少达赵雪成都理工大学地球科学学院四川成都610059 西南交通大学地球科学与环境工程学院四川成都611756

针对3D正态分布变换算法在大型场景点云数据配准时效率低的问题,提出一种基于拟牛顿法改进的3D正态分布变换算法。3D正态分布变换算法主要通过牛顿迭代法进行两视点云最优转换参数求解,但是随着待配准点云数据量的增加,牛顿迭代法需要... 详细信息

针对3D正态分布变换算法在大型场景点云数据配准时效率低的问题,提出一种基于拟牛顿法改进的3D正态分布变换算法。3D正态分布变换算法主要通过牛顿迭代法进行两视点云最优转换参数求解,但是随着待配准点云数据量的增加,牛顿迭代法需要大量的时间计算Hessian矩阵,增加了算法整体的时间复杂度。本文算法通过拟牛顿法代替牛顿法求解Hessian,改善了3D正态分布变换算法针对大型场景点云数据配准需要大量时间去计算Hessian矩阵的问题。实验表明,本文算法针对大型点云数据不仅能够保持传统3D正态分布变换算法的配准精度,还能提高配准效率。

关键词：拟牛顿法 Hessian矩阵正态分布变换配准

基于正态分布变换的海底声纳图像匹配方法研究

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基于正态分布变换的海底声纳图像匹配方法研究

2015’中国西部声学学术交流会

作者：张志刚卞红雨苏欣颖哈尔滨工程大学水声技术重点实验室哈尔滨工程大学水声工程学院哈尔滨商业大学食品工程学院

近年来,随着高分辨前视声纳设备的发展,利用声纳图像开展水下探测的研究获得普遍关注。本文针对以水下机器人为载体的海底目标探测任务,结合声纳图像的特点,提取稳定的感兴趣目标区域,并将正态分布变换引入到声纳图像目标区域特征描述中... 详细信息

近年来,随着高分辨前视声纳设备的发展,利用声纳图像开展水下探测的研究获得普遍关注。本文针对以水下机器人为载体的海底目标探测任务,结合声纳图像的特点,提取稳定的感兴趣目标区域,并将正态分布变换引入到声纳图像目标区域特征描述中,研究基于概率描述的序列声纳图像的匹配方法。本文模拟含有突起目标的海底场景开展了水池实验,获取了水池场景条件下的声纳图像数据,并对本文方法进行验证。研究结果表明本文感兴趣区域提取方法具有较高的稳定性,并降低了运算量,序列声纳图像的匹配精度满足工程任务需求,可用于水下机器人装备前视声纳的大范围宽视角探测。

关键词：海底场景声纳图像正态分布变换

来源： cnki会议评论

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一种面向复杂环境的自适应激光里程计设计

电子测量技术 2023年第10期46卷 16-23页

作者：王明明龚芮孙晓云孙寅静王佳浩石家庄铁道大学电气与电子工程学院石家庄050043

针对在复杂环境下使用传统三维点云配准算法构建的激光里程计精度低且建图易发生漂移的问题,本文设计了一种面向复杂环境的自适应激光里程计。首先通过三维激光雷达采集原始点云数据,经过点云预处理环节后,采用地面分割方法完成点云数... 详细信息

针对在复杂环境下使用传统三维点云配准算法构建的激光里程计精度低且建图易发生漂移的问题,本文设计了一种面向复杂环境的自适应激光里程计。首先通过三维激光雷达采集原始点云数据,经过点云预处理环节后,采用地面分割方法完成点云数据分割并获取路面点云丰富度信息;然后,使用NDT算法将前后两帧点云数据极大限度的进行拉近,实现点云数据的粗配准;最后,在环境判断结论指引下选择合适的ICP算法完成三维点云的高精度配准并根据输出的点云变换关系构建激光里程计。通过在数据集以及不同环境下的大量实车测试,得出该激光里程计在室内结构化环境中的平均位移误差为0.026 m,在室外非结构化环境中的平均位移误差为0.1 m。结果表明,本文构建的激光里程计能够更好的适应复杂环境从而得到更加精确的三维点云地图与SLAM轨迹。

关键词：正态分布变换迭代最近点自适应激光里程计定位与地图构建