提出一种基于可见光通信与双目视觉测量的高精度室内定位方法, 旨在为室内移动机器人提供一种精度高、成本低、不易受干扰的室内定位方案。该方法利用双目视觉传感器对LED光源进行成像测量, 利用惯性测量单元传感器记录成像测量的三维姿态角, 并通过可见光通信技术获取LED光源的坐标信息, 最终计算双目视觉传感器相对于LED光源的三维坐标。根据该方法研制了一款基于可见光通信与成像的定位模块, 该模块可以利用单个或两个LED光源进行成像定位。当定位模块采用1 280×720分辨率的图像时,在2 m×2 m×3 m室内环境中可实现厘米级移动定位, 定位频率大于5 Hz; 当利用两个相距60 cm的LED光源进行定位时, 在三维方向上的定位误差均小于5 cm, 同时能够提供小于1.4°的定向纠正。该方法可以为室内移动机器人提供厘米级定位导航服务。

激光扫描匹配是利用激光雷达进行导航、定位与地图构建的基础, 本文对各类激光扫描匹配方法进行了综述。将现有方法归纳为基于点的扫描匹配方法、基于特征的扫描匹配方法和基于数学特性的扫描匹配方法3类, 系统总结了相应类型的常见方法; 对典型的算法及其改进算法进行了梳理, 并指出了存在的主要问题和发展趋势; 介绍了激光扫描匹配方法性能评价和对比的最新研究进展, 最后, 展望了激光扫描匹配技术未来的研究方向。

针对现有结构直线段提取方法存在的效率低下或准确程度不足等问题,提出了一种基于体素生长的点云结构直线段高效提取方法。首先,对点云进行体素化剖分与平面分割,并以体素为单位进行邻域判断,实现对结构直线段分布区域的筛选;然后,采用基于体素的区域生长对结构直线段的分布区域进行分割;最后,依据结构线段分布区域的范围以及其所在平面的数学方程实现其提取和优化,并进行精度评定。进行了实验测试,利用多组点云数据验证了本方法的有效性,利用对比实验验证了本方法的精度和高效性。实验结果显示:相比现有方法,该方法在效率上提高了10倍以上,在精度上提高了0.25倍左右,证明提出的方法可以准确高效地得到较为理想的点云结构直线段提取结果。

固体火箭发动机推力线的测定是航天器精密安装领域的一项关键技术, 也是回转形体旋转轴线提取的一种代表性应用。针对现有相关方法存在的结果不够客观、可靠性不高且适应性欠缺等问题, 提出了一种基于表面法矢约束的回转形体点云旋转轴自动提取方法。首先, 计算形体点云的表面法矢, 通过设置最小二乘法矢计算标准差阈值剔除非可靠点集, 用以对旋转轴计算结果进行质量保证; 然后, 选用可靠点作为种子点, 依据种子点同纬点集法矢之间的特殊关系对此点集进行筛选, 并对提取的同纬点集进行平面拟合和空间圆拟合, 得到旋转轴初值; 最后, 根据点云表面法矢与旋转轴之间的位置关系列出最小二乘平差的目标函数, 通过迭代平差求解初值的改正数, 从而得到最终的旋转轴提取结果。通过实验测试, 利用模拟数据和实测数据对方法的准确度和精密度进行验证。实验结果显示: 有效采样间隔点云的旋转轴提取结果偏斜量达到0.01°以内, 横移量达到0.02 mm以下, 表明提出的方法正确, 可以实现对回转形体点云旋转轴线的高可靠性自动提取。

提出了一种以优化点云数据中平面的平面度和平面面积为目标的内参数标定方法, 针对不同情况选用区域生长算法或改进随机采样一致性(RANSAC)算法进行平面提取, 并通过提出的单纯形和人工蜂群混合优化算法(NMS-ABC)进行参数解算, 实现了DIY系统的内参数标定.利用内参数已知的仿真数据实验验证了NMS-ABC混合算法用于内参数快速求解的有效性, 利用不同场景获取的多组实测点云数据进行了标定实验, 结果表明: 标定后的平面内点百分比和整体平面度均有所提高, 并且当平面数不少于3时标定结果更稳定可靠; 进行了点位精度测试, 经内参数标定后DIY扫描仪的点位测量精度得到提高且在不同水平角度分辨率条件下优于3 mm@4 m; 人为增大安置误差, 通过对比标定前后的点云及平面提取结果, 进一步直观验证了本文所提标定方法的正确性和有效性.

提出了一种高效的基于八叉树体素自适应生成与体素分层次生长的平面提取方法, 其主要思路为采用体素信息统计的方式进行相关阈值参数的自动选定, 以及基于体素的生长替代基于点的生长进行平面提取。首先, 对点云进行八叉树初始剖分并计算其几何属性信息(包括法矢、特征值以及维度特征描述符等); 然后, 通过统计得到细分终止条件, 并对初始八叉树进行进一步自适应剖分, 得到一系列非均匀八叉树体素; 最后, 在体素层面进行区域生长阈值的统计与体素的分层次生长, 进行点云平面的精细提取。利用4种不同类型的点云数据对本文算法进行了测试。实验结果显示: 精度和召回率可以达到95%以上, 表明本文算法对数据质量不敏感, 可以自动适应不同平台采集的、不同分布密度和不同数据质量的激光点云, 并且高效地得到精细的点云平面提取结果。

移动测量技术提供了一种高效的数据获取手段, 可用于智慧城市建设等诸多领域。三维激光扫描仪具有测量速度快, 精度高等优点, 将其作为车载系统中的主要测量传感器具有较大的优势。以车载系统集成中三维激光扫描仪安置参数的标定为研究对象, 从简化数学模型以降低计算复杂度和削弱舍入误差、采用回光反射材料制作的人工标志作为标定媒介提高标定精度、一站式提高标定效率三个方面对现有标定方法进行改进。通过实测数据计算, 该方法得到的参数标定精度为6 mm级, 系统的整体设计精度为5 cm级, 因此该方案能够满足多种测量任务系对车载统精度的需求。

提出了地面三维激光扫描仪与外置数码相机安置参数的高精度标定方案。首先, 利用商业化近景摄影测量系统对相机内参数进行单独标定; 然后, 利用回光反射标志作为二维和三维匹配的同名控制点, 对直接线性变换进行拓展应用, 在算法迭代过程将内参数作为已知值对外参数进行求解; 最后, 根据相机数据采集特点确定其拍摄全景时多张影像之间的位置关系, 对多张影像的外方位元素进行求解, 从而实现全景点云与全景完整影像之间的映射。进行了实验测试, 利用安置参数标定结果反求验证点像素坐标与真实测量结果之差验证了本文标定方法的精度和可行性。实验显示: 点云与影像间的映射精度可达到1像素左右; 相机拍摄全景获取的影像与全景点云可以实现正确映射, 表明提出的标定方法正确, 满足纹理贴图及将影像作为特征提取辅助信息的精度要求。