[發明專利]基于旋轉雷達和IMU的巷道三維重建系統及方法

在審

• 申請號: 202210025280.6
• 申請日: 2022-01-11
• 公開（公告）號: CN114359499A
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 程紅太;郭小林;席會東
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G06T17/05
• 分類號: G06T17/05;G06T17/10;G06T7/73
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李在川

本發明公開一種基于旋轉雷達和IMU的巷道三維重建系統及方法，系統包括移動載體機器、履帶輪、輪速計、慣性測量系統IMU、旋轉雷達、工控機和電源。其中輪速計安裝于履帶輪上，慣性測量系統IMU、旋轉雷達和工控機安裝于移動載體機器上，輪速計、慣性測量系統IMU、旋轉雷達分別與工控機電連接。基于上述系統的巷道三維重建方法給點云置信度賦值以及基于置信度的點云融合，獲得了更為精準的巷道場景點云。對巷道點云進行了表面重建，使得地面監控人員更直觀的觀測到巷道環境。

技術領域

本發明涉及三維空間立體建模技術領域，尤其涉及一種基于旋轉雷達和IMU的巷道三維重建系統及方法。

背景技術

三維空間立體建模技術、適用于煤礦行業地下礦井掘進、地鐵等巷道等場景，而現有的巷道等地下環境的三維重建方式使用激光雷達、IMU、GPS等幾種傳感器，大多為非在線的方式，且創建的三維模型、位姿精度較低。

非在線的巷道三維重建方式無法為煤礦井下巷道掘進的少人、無人化作業提供環境信息。同時精度較低的三維重建方式會給巷道掘進提供錯誤的環境信息，最終導致巷道成型誤差大，甚至精度達不到工程要求。

發明內容

本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種基于旋轉雷達和IMU的巷道三維重建系統及方法。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：一種基于旋轉雷達和IMU的巷道三維重建系統，系統包括：

移動載體機器、履帶輪、輪速計、慣性測量系統IMU、旋轉雷達、工控機和電源；

所述輪速計安裝于履帶輪上，所述慣性測量系統IMU、旋轉雷達和工控機安裝于移動載體機器上；

所述輪速計、慣性測量系統IMU、旋轉雷達分別與工控機電連接；

所述電源為輪速計、慣性測量系統IMU、旋轉雷達以及工控機供電。

所述工控機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行時，實現巷道的三維重建。

所述旋轉雷達包括激光雷達、旋轉云臺和旋轉軸；所述旋轉軸垂直于地面，并以恒定的速度旋轉；所述激光雷達與旋轉軸固定連接，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軸隨著旋轉云臺一起旋轉。

另一方面，本發明還提供一種采用上述基于旋轉雷達和IMU的巷道三維重建系統進行三維重建的方法，包括如下步驟：

步驟1：基于旋轉雷達和IMU的巷道三維重建系統建立坐標系，并對旋轉雷達進行標定，過程如下：

步驟1.1：根據移動載體機器建立移動載體坐標系T_E；

步驟1.2：根據慣性測量系統IMU建立IMU坐標系T_I；

步驟1.3：根據旋轉雷達建立旋轉雷達坐標系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。

步驟2：靜態的獲取旋轉雷達采集的三維點云數據，賦予點云中每一個點一個置信度，并去除置信度為零的點，過程如下：

步驟2.1：在移動載體機器靜止時，靜態的采用激光雷達獲取巷道靜態的二維點云數據和旋轉云臺的轉角；