一种基于扫描式激光雷达的非合作航天器三维重建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于扫描式激光雷达的非合作航天器三维重建方法，涉及三维点云配准领域，能够在适应光照变化、尽量减少航天器的姿态机动的条件下进行点云特征提取和匹配，最终进行三维重建。本发明专利技术包括：针对性的进行点云特征提取并完成点云配准，之后对每一帧配准后点云进行叠加并通过回环检测消除累积误差，最终利用贪婪投影算法实现三维重建得到目标航天器几何构型。本发明专利技术在保证厘米级探测精度和水平方向高分辨率的前提下，降低了对探测航天器的姿态要求，从而避免多次姿态机动，以提高航天器在轨服务能力和在轨寿命。

A 3D reconstruction method of non cooperative spacecraft based on scanning lidar

【技术实现步骤摘要】
一种基于扫描式激光雷达的非合作航天器三维重建方法
本专利技术涉及三维点云配准领域，尤其涉及一种基于扫描式激光雷达的非合作航天器三维重建方法。
技术介绍
随着空间技术的不断发展，在轨捕获技术得到了越来越多的重视，因此通过远距离传感器对目标航天器进行三维重建，以此估计其位姿信息和三维几何信息具有重要意义。在空间环境中，非合作目标通常处于失效自旋失稳状态，会出现目标图像大尺度变化等情况，同时受光照条件影响，传统视觉传感器的测量精度会严重下降甚至失效，而激光雷达能在无光照下直接获取目标表面的三维点云信息，具有精度高、抗干扰能力强等特点。当前激光雷达主要分为闪光激光雷达和扫描式激光雷达，前者具有结构简单、无需扫描、功耗低等优点，但存在分辨率低、校准复杂、探测范围有限等问题，当闪光激光雷达无法完全探测到目标航天器时，需主动频繁调整自身航天器的姿态以达到观测要求，而在空间环境中，调整航天器姿态需要复杂的控制程序，由此增加了探测任务难度；扫描式激光雷达可以利用自身所携带的旋转电机完成水平方向360°扫描，在垂直方向也能达到较大的探测视野，可以降低探测任务所需的自身姿态精度，从而极大提高任务可行性以及可靠性，具备极高的实际工程应用价值。目前在航天任务中，以单目、双目等视觉传感器居多，但空间中恶劣的光照条件会对该类传感器探测精度和稳定性造成极大的影响，同时视觉传感器也无法直接获取深度信息，只能通过复杂的视觉算法进行估计，严重加大了星载计算机运算量；在激光雷达的应用方面，当前主要以位姿估计任务为主，即直接对点云数据进行帧间匹配，在该类算法中，需要对航天器表面几何特征进行识别提取，如发动机喷口、太阳翼三脚支架等，而在三维重建中无法保证每一帧都能提取上述特征，从而导致帧间的匹配结果不准确甚至出错。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于扫描式激光雷达的非合作航天器三维重建方法，能够在适应光照变化、尽量减少航天器的姿态机动的条件下进行点云特征提取和匹配，最终进行三维重建。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于扫描式激光雷达的非合作航天器三维重建方法，包括：S1、激光雷达采集目标航天器的三维点云数据。S2、对所述三维点云数据进行预处理，得到预处理后的三维点云。S3、对所述预处理后的三维点云进行特征点提取，得到提取特征点后的点云数据。S4、对所述提取特征点后的点云数据进行帧间粗配准，该配准结果可以为后续精配准提供较好的迭代初值，从而避免陷入局部极值导致最终配准失败；再通过ICP算法对相邻两帧点云进行精配准，得到配准后的点云数据，ICP算法在提供较好的迭代初值后，具备良好的收敛性，同时也具有配准精度高、无需对数据分割处理的优势。S5、对所述配准后的点云数据进行回环检测，得到检测后的三维点云。由于点云帧间配准始终存在误差，在长时间后误差累积会十分明显，对后续的目标航天器三维点云模型构建带来巨大影响甚至构建出错误模型，通过回环检测可以完成点云闭合，从而极大的消除累积误差。S6、利用贪婪投影算法对所述检测后的三维点云进行三维重建，得到重建结果，即目标航天器的外形尺寸、结构、位置、姿态。进一步的，在S2中，所述预处理包括滤波去噪、数据精简。进一步的，在S3中，所述特征点提取的方法包括：根据垂直视场角将所述预处理后的三维点云归类，同一类中取一束激光所对应的点云进行曲率计算；根据计算求得的曲率值进行判断，将符合判断条件点标记为特征点；其中，所述判断条件包括：(1)被测试点的曲率值大于所在激光束的平均值；(2)被测试点的曲率值与前后相邻五个点的平均曲率比值大于等于2；(3)被测试点的前后五个相邻点中无特征点；(4)被测试点所在的激光束中，任意两个特征点欧氏距离大于等于该束激光最大距离的即一束激光最多五个特征点。进一步的，在S6中，所述三维重建包括：将所述检测后的三维点云沿法线投影到某一平面，将所述平面上的投影点云三角化，得到所述投影点云中各个点之间的连接关系；根据所述检测后的三维点云和所述投影点云之间的投影关系，以及所述投影点云中各个点之间的连接关系，复原所述检测后的三维点云各点之间的连接关系；依据所述检测后的三维点云各点之间的连接关系，还原所述目标航天器的几何构型。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用激光雷达采集目标航空器的三维点云，相比传统利用相机、闪光式激光雷达等，该方法能适应光照变化明显、探测目标大范围翻转等情形，具备更强的鲁棒性；在特征点提取时，利用激光束对数据分类，以单束激光计算各点曲率值，有效避免了稀疏点云的局部点云分散、特征点难以直接描述的问题；并且激光雷达的高探测精度提高了特征点提取算法配准率，保持了高精度的帧间配准结果，为三维重建提供良好的点云配准基础；同时在保证厘米级探测精度和水平方向高分辨率的前提下，降低了对探测航天器的姿态要求，从而避免多次姿态机动，以提高航天器在轨服务能力和在轨寿命。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1本专利技术的方法流程图；图2是三维点云特征点提取算法的流程图；图3是待扫描模型的结构示意图；图4是被扫描模型连续两帧配准前三维点云图；图5是被扫描模型连续两帧配准后三维点云图；图6是回环检测优化后总三维点云图；图7是三维点云基于贪婪投影算法的重建效果图。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术实施例提供一种基于扫描式激光雷达的非合作航天器三维重建方法，流程如图1所示，本专利技术通过对激光雷达采集的三维点云数据进行处理，结合一定的特征点提取算法计算帧间配准参数，同时利用回环检测消除累计误差，优化后的数据可实现目标航天器三维点云模型构建，最终通过贪婪投影算法实现航天器表面模型重建。本专利技术的具体流程包括：1、利用激光雷达采集得到目标航空器的三维点云数据Px，激光雷达的工作频率一般是5Hz～20Hz，本实施例中，激光雷达的采集频率为10Hz。2、三维点云数据Px进行预处理，包括滤波去噪、数据精简，具体过程为：(1)激光雷达扫描时由于硬件原因，会产生一些非实体表面点云，这类点云会对配准产生较大干扰，因此可以采用MCMD(MaximumConsistencywithMinimumDistance)-Z自动去噪算法：对点云Px中任意一点p，计算其k邻域点云集Pk，显然有其中k邻点云为p点最近的k个点组成的点云集；计算该点的中心点和法向量遍历邻域点云集Pk中所有点，计算出各点到拟合平面的正交距离OD，各点到拟合平面正交距离的集合为ODj：其中，p本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于扫描式激光雷达的非合作航天器三维重建方法，其特征在于，包括：/nS1、激光雷达采集目标航天器的三维点云数据；/nS2、对所述三维点云数据进行预处理，得到预处理后的三维点云；/nS3、对所述预处理后的三维点云进行特征点提取，得到提取特征点后的点云数据；/nS4、对所述提取特征点后的点云数据进行帧间粗配准，再通过ICP算法对相邻两帧点云进行精配准，得到配准后的点云数据；/nS5、对所述配准后的点云数据进行回环检测，得到检测后的三维点云；/nS6、利用贪婪投影算法对所述检测后的三维点云进行三维重建，得到重建结果，即目标航天器的外形尺寸、结构、位置、姿态。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于扫描式激光雷达的非合作航天器三维重建方法，其特征在于，包括：
S1、激光雷达采集目标航天器的三维点云数据；
S2、对所述三维点云数据进行预处理，得到预处理后的三维点云；
S3、对所述预处理后的三维点云进行特征点提取，得到提取特征点后的点云数据；
S4、对所述提取特征点后的点云数据进行帧间粗配准，再通过ICP算法对相邻两帧点云进行精配准，得到配准后的点云数据；
S5、对所述配准后的点云数据进行回环检测，得到检测后的三维点云；
S6、利用贪婪投影算法对所述检测后的三维点云进行三维重建，得到重建结果，即目标航天器的外形尺寸、结构、位置、姿态。


2.根据权利要求1所述的一种基于扫描式激光雷达的非合作航天器三维重建方法，其特征在于，在S2中，所述预处理包括滤波去噪、数据精简。


3.根据权利要求1所述的一种基于扫描式激光雷达的非合作航天器三维重建方法，其特征在于，在S3中，所述特征点提取的方法包括：
根据垂直视场角将所...

【专利技术属性】
技术研发人员：康国华，张琪，张晗，张文豪，徐伟证，赵腾，邱钰桓，魏建宇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32