一种适用于井下巷道的激光点云回环检测方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种适用于井下巷道的激光点云回环检测方法及系统，包括：步骤S1：使用激光里程计算法得到定位系统的三维位姿信息；步骤S2：使用基于视点的特征直方图对点云关键帧进行描述；步骤S3：使用向量的相关性计算公式计算关键帧点云相似度；步骤S4：当相似度高于预设阈值时，则计算历史关键帧和当前关键帧的时间差，当大于预设阈值时，则执行步骤S5，否则结束当前回环检测，等待新的关键帧信息输入，重复执行步骤S1至步骤S4；步骤S5：根据点云的曲率信息计算关键帧点云的边角特征和平面特征，基于边角特征和平面特征的配准计算关键帧的位姿变换；步骤S6：根据位姿变化通过因子图优化方法更新当前的位姿信息和历史的轨迹信息。息。息。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于井下巷道的激光点云回环检测方法及系统


[0001]本专利技术涉及激光同步定位和建图(SLAM)领域，具体地，涉及一种适用于井下巷道的激光点云回环检测方法及系统。

技术介绍

[0002]提高煤矿作业的自动化和智能化是国家煤矿业发展的重点方向。目前，为了保证矿山的生产安全和高效运行，工人们每日需要对井下巷道进行安全巡视检查，及时发现事故隐患和险情，该项工作劳动强度大且危险。针对此种现状，在矿井开采中应用巡检无人机替代人工，可以实时监督井下巷道的状况，对潜在的危险和隐患进行预警，保障工人的作业安全。其中，实现高精度井下环境的同步定位和建图功能是井下无人机巡检进行智能避障和路径规划的基础和要点。
[0003]井下活动范围广，巷道环境错综复杂，长时间运行后存在累积误差，需要通过回环检测方法校正累计误差。回环检测方法在定位系统第二次经过某一地点时，通过相似度匹配判断曾抵达过此处，计算相对位姿变换，将位姿信息作为约束添加到整体轨迹计算中，消除由于噪声而不断累积的定位误差。
[0004]一般以视觉相机作为传感器，使用ORB、SIFT等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于井下巷道的激光点云回环检测方法，其特征在于，包括：步骤S1：定位系统使用激光里程计算法得到定位系统的三维位姿信息；步骤S2：基于三维位姿信息提取点云关键帧，使用基于视点的特征直方图对点云关键帧进行描述；步骤S3：基于视点的特征直方图对点云关键帧的描述，使用向量的相关性计算公式计算关键帧点云相似度；步骤S4：当相似度高于预设阈值时，则计算历史关键帧和当前关键帧的时间差，当时间差大于预设阈值时，则执行步骤S5，否则结束当前回环检测，等待新的关键帧信息输入，重复执行步骤S1至步骤S4；步骤S5：根据点云的曲率信息计算关键帧点云的边角特征和平面特征，配准边角特征和平面特征，当满足配准要求的边角特征和平面特征数量达到预设值时，则执行步骤S6，否则结束当前回环检测，等待新的关键帧信息输入，重复执行步骤S1至步骤S5；步骤S6：基于边角特征和平面特征的配准计算关键帧的位姿变换，当位姿变换小于等于预设值时，则执行步骤S7；否则结束当前回环检测，等待新的关键帧信息输入，重复执行步骤S1至步骤S6；步骤S7：根据计算得到的关键帧的位姿变换，通过因子图优化方法更新当前的位姿信息和历史的轨迹信息，保证位姿和点云地图的全局一致性。2.根据权利要求1所述的适用于井下巷道的激光点云回环检测方法，其特征在于，所述步骤S1包括：步骤S1.1：通过激光雷达扫描周围环境点云，使用强度滤波和距离筛选方法对原始点云数据进行预处理；步骤S1.2：对预处理后的相邻帧点云进行配准，计算相对位姿变换，输出里程计位姿信息；所述里程计位姿信息以世界坐标系下的三维坐标t
w_l[i]
＝(x
i
,y
i
,z
i
)和姿态旋转的四元数q
w_l[i]
(q
w_i
,q
x_i
,q
y_i
,q
z_i
)表示。3.根据权利要求1所述的适用于井下巷道的激光点云回环检测方法，其特征在于，所述步骤S2包括：步骤S2.1：根据里程计位姿信息，每隔预设时间或距离阈值保存当前帧点云为关键帧，并在保存关键帧时将当前关键帧相对雷达坐标系的点云坐标p
l[i,n]
转换成世界坐标系下的点云坐标p
w_l[i,n]
：p
w_l[i,n]
＝q
w_l[i]
×
p
l[i,n]
+t
w_l[i]
步骤S2.2：关键帧点云通过PCA主成分分析方法计算关键帧点云中所有点的法向量n
t
；步骤S2.3：对关键帧点云中所有点的坐标求和并取平均值，计算三维世界坐标系下的点云中心p
s
，以三维世界坐标系的原点到点云中心作为视点向量n
s
；步骤S2.4：以点云中心p
s
为坐标系原点，视点向量n
s
方向为x轴，视点向量n
s
与中心点p
s
到点云任意一点p
t
的叉乘方向为y轴，建立视点坐标系；步骤S2.5：计算点云中每一点法向量n
t
相对于视点坐标系三个坐标轴的角度作为特征分量，将三个坐标轴上每个角度值分为多个区间，统计整幅点云中所有点的角度区间分布情况，构建特征直方图，对点云关键帧进行描述。
4.根据权利要求1所述的适用于井下巷道的激光点云回环检测方法，其特征在于，所述步骤S3包括：步骤S3.1：将视点特征直方图进行归一化，计算特征向量H
i
,H
j
的相似度；其中，I表示向量H中个元素的集合；H
i
(I)表示向量H
i
中任一元素；H
j
(I)表示H
j
中任一元素；N表示向量H中元素的个数；表示第k帧的均值；表示；表示。5.根据权利要求1所述的适用于井下巷道的激光点云回环检测方法，其特征在于，所述步骤S5包括：步骤S5.1：选取相似度最高且高于设定阈值的关键帧点云，根据点云的曲率计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵明辉，缪杰，龙再萌，夏文刚，
申请(专利权)人：中煤科工集团上海有限公司，
类型：发明
国别省市：