本發(fā)明專利技術公開了一種基于激光點云面擬合的機器人室內定位方法，本方法通過機器人搭載激光雷達對環(huán)境進行掃描，獲取環(huán)境激光點云數(shù)據(jù)，并對無序化點云進行有序化處理，提取地面信息，通過地面點云確定機器人傾斜角，以此傾斜角進行點云數(shù)據(jù)調平，提取調平后的激光點云的室內主平面，通過匹配建筑信息BIM數(shù)據(jù)的室內主平面，確定機器人所在室內場景的絕對定位信息。本發(fā)明專利技術解決了機器人在室內場景的定位問題且精度較高，為后續(xù)機器人室內作業(yè)提供了保障。障。障。
【技術實現(xiàn)步驟摘要】
一種基于激光點云面擬合的機器人室內定位方法
[0001]本專利技術屬于機器人
，具體涉及一種基于激光點云面擬合的機器人室內定位方法。
技術介紹
[0002]室內作業(yè)機器人通常到達指定位置后開始作業(yè)，機器人自身在室內環(huán)境下的精準定位是其自主完成工作的重要前提。
[0003]目前機器人在室內場景的絕對定位通常分為兩大類：
[0004]1、通過機器人遍歷環(huán)境完成環(huán)境建圖，再由機器人所攜帶的傳感器通過地圖特征匹配的方式確定自身在所建地圖的位置，完成機器人相對于地圖的絕對定位；
[0005]2、依靠外部設備與機器人本身交互從而獲取自身的絕對位置，定位信息由外部設備發(fā)送，通過機器人攜帶的特定設備接收。
[0006]第一種方法要求機器人提前遍歷環(huán)境獲取場景信息，在一些特定場景或情況中往往不能實現(xiàn)；而第二種方法通常需要人為對環(huán)境進行布置或標記，也會存在通信干擾等問題。
技術實現(xiàn)思路
[0007]針對上述問題，本專利技術提出了一種基于激光點云面擬合的機器人室內定位方法，利用對室內已知建筑信息BIM數(shù)據(jù)，對機器人攜帶的激光雷達點云主平面進行提取，通過擬合對應BIM數(shù)據(jù)的主平面計算出機器人的絕對位置信息(x，y，α)，其中(x，y)為機器人在室內場景中的絕對位置坐標，α為機器人在場景中的朝向角度。
[0008]本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是：一種基于激光點云面擬合的機器人室內定位方法，包括以下步驟：步驟一：機器人搭載激光雷達對室內進行環(huán)境感知，獲取激光點云數(shù)據(jù)；步驟二：對激光點云數(shù)據(jù)進行有序化處理，提取地面點云；步驟三：根據(jù)地面點云確定機器人傾斜角；步驟四：提取室內激光點云主平面；步驟五：將激光點云主平面與室內BIM數(shù)據(jù)進行匹配，確定機器人在室內的絕對定位信息。
[0009]步驟一包括：本專利技術的研究對象為室內場景中機器人定位的問題，由機器人搭載激光雷達，在靜止狀態(tài)下，對室內環(huán)境進行掃描，通過激光束飛行時差的原理獲取點云數(shù)據(jù)。
[0010]步驟二包括：對獲取到的點云進行有序化處理，將激光點云數(shù)據(jù)投影至圓柱模型，將無序點云做有序化處理，對有序化后的點云利用其鄰域信息進行地面點提取。
[0011]步驟三包括：由于機器人胎壓不均或存在裝配誤差，所以機器人與地面之間會存在傾斜角度，因此地面點云并不是完全水平，根據(jù)求解地面點云法向量計算其與垂直法向量的夾角，根據(jù)此夾角進行點云數(shù)據(jù)水平化處理。
[0012]步驟四包括：通過RANSAC隨機采樣平面擬合的方式提取激光點云主平面，選取主平面是以該平面與地面點云平面相互垂直為原則，設定極小閾值，計算平面法向量與地面
點云法向量的向量積，將向量積小于該閾值的平面設定為室內主平面。
[0013]步驟五包括：解析BIM數(shù)據(jù)，利用其尺寸及結構信息從BIM中提取出激光點云主平面對應的平面，根據(jù)對應平面的法向量向量積之和構建目標優(yōu)化函數(shù)，確定機器人在室內場景中的朝向角度，利用朝向角度對激光點云進行數(shù)據(jù)更新，根據(jù)更新后的激光點云主平面與BIM對應平面確定機器人在室內場景的絕對坐標信息。
[0014]本專利技術的有益效果是，提出了一種基于激光點云面擬合的機器人室內定位方法，解決了機器人在室內環(huán)境中的絕對定位問題，最終定位精度可以達到毫米級，為機器人室內精準作業(yè)提供保障，具有一定的推廣意義。
附圖說明
[0015]圖1為本專利技術流程圖；
[0016]圖2為本專利技術機器人平臺；
[0017]圖3為點云有序化處理流程圖；
具體實施方式
[0018]參照圖1，一種基于激光點云面擬合的機器人室內定位方法，包括以下步驟：步驟一：機器人搭載激光雷達對室內進行環(huán)境感知，獲取激光點云數(shù)據(jù)；步驟二：對激光點云數(shù)據(jù)進行有序化處理，提取地面點云；步驟三：根據(jù)地面點云確定機器人傾斜角；步驟四：提取室內激光點云主平面；步驟五：將激光點云主平面與室內BIM數(shù)據(jù)進行匹配，確定機器人在室內的絕對定位信息。
[0019]參照圖2，步驟一包括：本專利技術的研究對象為室內場景中機器人定位的問題，由機器人搭載激光雷達，機器人采用輪式移動機器人，激光雷達選用32線機械式雷達，在靜止狀態(tài)下由激光雷達采集點云數(shù)據(jù)，對室內場景進行掃描。
[0020]參照圖3，步驟二包括：激光雷達點云為無序點云，為了后續(xù)地面點提取將無序點云做有序化處理，按照激光雷達垂直方向的線程數(shù)(lines)以及水平角分辨率(θ)確定有序點云距離圖像，并且利用點云距離圖像中的鄰域信息計算雷達激光束連線與水平面夾角判斷是否為地面點。
[0021]步驟三包括：由步驟二提取的地面點集合設為F
g
＝{p1，p2，...，p
n
|p
i
＝(x
i
，y
i
，z
i
)
T
}，首先以最小二乘的方法將地面點云擬合成平面，定義平面方程為A
g
x+B
g
y+C
g
z+D
g
＝0，其中N
g
＝(A
g
，B
g
C
g
)
T
即為該平面的法向量，也是地面點云的法向量，將地面點帶入后進行求解。利用求解后的地面法向量與垂直向量計算機器人相對于水平面的傾斜角，將點云數(shù)據(jù)根據(jù)此傾斜角進行數(shù)據(jù)調平。
[0022]步驟四包括：通過設定閾值以RANSAC隨機采樣平面擬合的方式提取激光點云主平面，具體步驟如下：
[0023](1)從點云中隨機選取三個點，確定平面參數(shù)模型Ax+By+Cz+D＝0，判斷其法向量與地面法向量向量積是否大于ε，若向量積大于ε，則舍棄此平面參數(shù)模型，重新選取三個點確定平面參數(shù)模型直至向量積小于ε，其中ε足夠小；
[0024](2)設定距離閾值σ，計算其余點到此平面的距離，若距離小于此閾值σ，則認為該點為此平面的內點，若大于此閾值σ，則認為該點為此平面的離群點，距離閾值σ可根據(jù)激光
雷達出廠平面點云厚度確定；
[0025](3)設定點數(shù)閾值n，若該平面的內點數(shù)大于點數(shù)閾值n，則保留該平面，并將該平面上的內點標記為已匹配；
[0026](4)重復步驟(1)，直至迭代N次后無新平面被提取。
[0027]步驟五包括：根據(jù)步驟四擬合得到的激光點云主平面常數(shù)項，計算點云主平面間的距離，通過解析BIM數(shù)據(jù)中的尺寸與結構信息，與點云主平面距離進行對比，確定BIM中相對應的主平面，對此平面進行提取并確定其在BIM世界坐標系下的平面方程系數(shù)。接著對轉向角α進行求解，利用激光點云主平面法向量與BIM點云對應主平面的法向量構建α的目標函數(shù)進行求解：
[0028][0029]其中由以目標變量為旋轉角，的單位向量為旋轉軸進行旋轉變換得來。
[0030]以垂直向量(0，0，1)
T
作為旋轉軸，轉向角α作為旋轉角，對激光點云進行坐標變換，并對激本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
1.一種基于激光點云面擬合的機器人室內定位方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟一：機器人搭載激光雷達對室內進行環(huán)境感知，獲取激光點云數(shù)據(jù)；步驟二：對激光點云數(shù)據(jù)進行有序化處理，提取地面點云；步驟三：根據(jù)地面點云確定機器人傾斜角；步驟四：提取室內激光點云主平面；步驟五：將激光點云主平面與室內BIM數(shù)據(jù)進行匹配，確定機器人在室內的絕對定位信息。2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于激光點云面擬合的機器人室內定位方法，其特征在于：步驟一包括：本發(fā)明的研究對象為室內場景中機器人定位的問題，由機器人搭載激光雷達，機器人采用輪式移動機器人，激光雷達選用32線機械式雷達，在靜止狀態(tài)下由激光雷達采集點云數(shù)據(jù)，對室內場景進行掃描。3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于激光點云面擬合的機器人室內定位方法，其特征在于：步驟二包括：激光雷達點云為無序點云，為了后續(xù)地面點提取將無序點云做有序化處理，按照激光雷達垂直方向的線程數(shù)(lines)以及水平角分辨率(θ)確定有序點云距離圖像，并且利用點云距離圖像中的鄰域信息計算雷達激光束連線與水平面夾角判斷是否為地面點。4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于激光點云面擬合的機器人室內定位方法，其特征在于：步驟三包括：由權利要求3提取的地面點集合設為F
g
＝{p1，p2，...，p
n
|p
i
＝(x
i
，y
i
，z
i
)
T
}，首先以最小二乘的方法將地面點云擬合成平面，定義平面方程為A
g
x+B
g
y+C
g
z+D
g
＝0，其中N
g
＝(A
g
，B
g
C
...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：劉今越，郭皓天，翁曉云，
申請(專利權)人：天門進保天津科技股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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