[發(fā)明專利]基于旋轉(zhuǎn)雷達和IMU的巷道三維重建系統(tǒng)及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210025280.6
• 申請日: 2022-01-11
• 公開（公告）號: CN114359499A
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程紅太;郭小林;席會東
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學
• 主分類號: G06T17/05
• 分類號: G06T17/05;G06T17/10;G06T7/73
• 代理公司: 沈陽東大知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 李在川

1.一種基于旋轉(zhuǎn)雷達和IMU的巷道三維重建系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)包括移動載體機器(7)、履帶輪(1)、輪速計(2)、慣性測量系統(tǒng)IMU(4)、旋轉(zhuǎn)雷達(5)、工控機(6)和電源(3)；

所述輪速計(2)安裝于履帶輪(1)上，所述慣性測量系統(tǒng)IMU(4)、旋轉(zhuǎn)雷達(5)和工控機(6)安裝于移動載體機器(7)上；

所述輪速計(2)、慣性測量系統(tǒng)IMU(4)、旋轉(zhuǎn)雷達(5)分別與工控機(6)電連接；

所述電源為輪速計(2)、慣性測量系統(tǒng)IMU(4)、旋轉(zhuǎn)雷達(5)以及工控機(6)供電。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于旋轉(zhuǎn)雷達和IMU的巷道三維重建系統(tǒng)，其特征在于，所述工控機(6)包括處理器和存儲器；所述存儲器上存儲有計算機程序，所述計算機程序被所述處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)巷道的三維重建。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于旋轉(zhuǎn)雷達和IMU的巷道三維重建系統(tǒng)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)雷達(5)包括激光雷達、旋轉(zhuǎn)云臺和旋轉(zhuǎn)軸；所述旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面，并以恒定的速度旋轉(zhuǎn)；所述激光雷達與旋轉(zhuǎn)軸固定連接，并使激光雷達的掃描平面垂直于地面；固定連接的激光雷達與旋轉(zhuǎn)軸隨著旋轉(zhuǎn)云臺一起旋轉(zhuǎn)。

4.采用權(quán)利要求1至3所述的基于旋轉(zhuǎn)雷達和IMU的巷道三維重建系統(tǒng)進行巷道三維重建的方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：基于旋轉(zhuǎn)雷達和IMU的巷道三維重建系統(tǒng)建立坐標系，并對旋轉(zhuǎn)雷達進行標定；

步驟2：靜態(tài)的獲取旋轉(zhuǎn)雷達采集的三維點云數(shù)據(jù)，賦予點云中每一個點一個置信度，并去除置信度為零的點；

步驟3：通過濾波處理，對三維點云數(shù)據(jù)進行去除離群點、去除移動載體機器機身點云和體素化操作；

步驟4：獲取IMU的慣性數(shù)據(jù)、輪速計的速度數(shù)據(jù)，通過卡爾曼算法融合獲取移動載體機器位移數(shù)據(jù)；

步驟5：對前后兩幀點云數(shù)據(jù)進行配準，獲取高精度點云位姿；

步驟6：去除歷史幀的點云數(shù)據(jù)中的工作面；

步驟7：基于置信度進行點云融合，獲得三維巷道模型。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用基于旋轉(zhuǎn)雷達和IMU的巷道三維重建系統(tǒng)進行巷道三維重建的方法，其特征在于，所述步驟1的過程如下：

步驟1.1：根據(jù)移動載體機器建立移動載體坐標系T_E；

步驟1.2：根據(jù)慣性測量系統(tǒng)IMU建立IMU坐標系T_I；

步驟1.3：根據(jù)旋轉(zhuǎn)雷達建立旋轉(zhuǎn)雷達坐標系T_L；

步驟1.4：建立世界坐標系T_W，并初始化與移動載體坐標系T_E重合；

步驟1.5：建立世界坐標系2T_W2，并初始化與IMU坐標系T_I重合；

步驟1.6：激光雷達采集連續(xù)兩幀點云，使用Calidar Calibration方法，獲得激光雷達坐標系到云臺坐標系的標定矩陣。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用基于旋轉(zhuǎn)雷達和IMU的巷道三維重建系統(tǒng)進行巷道三維重建的方法，其特征在于，所述步驟2的過程如下：

步驟2.1：在移動載體機器靜止時，靜態(tài)的采用激光雷達獲取巷道靜態(tài)的二維點云數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)云臺的轉(zhuǎn)角；

步驟2.2：根據(jù)靜態(tài)的二維點云數(shù)據(jù)、旋轉(zhuǎn)云臺的轉(zhuǎn)角以及步驟1.6得到的標定矩陣，獲得旋轉(zhuǎn)雷達坐標系下的三維點云數(shù)據(jù)；

步驟2.3：根據(jù)旋轉(zhuǎn)雷達坐標系下的三維點云數(shù)據(jù)以及旋轉(zhuǎn)雷達坐標系與移動載體坐標系的坐標變換矩陣，獲得移動載體坐標系下的三維點云數(shù)據(jù)；

步驟2.4：測試不同距離下雷達精度，獲得不同距離下雷達的精度變化情況，為點云中每一個點設(shè)置置信度，過程如下：

步驟2.4.1：獲取激光雷達點云數(shù)據(jù)中每個測距點到雷達的距離；

步驟2.4.2：測試不同距離下雷達精度，并獲得不同距離下雷達的精度變化情況；

步驟2.4.3：根據(jù)精度測試結(jié)果，為點云中每一個點設(shè)置一個0～1范圍內(nèi)的置信度，數(shù)值越大，點云置信度越高；

步驟2.5：判斷點云中點的置信度是否為零，若為零，則剔除該點。