使用激光扫描仪减少表示和配准点云时的多义性的方法技术

本发明专利技术涉及用于减少在表示和配准点云时的多义性的方法，其中所述点云由至少一个激光扫描仪产生或从导航地图中提取，并且其中分别接收第一点云和第二点云作为输入变量，所述方法至少包括以下步骤：a）确定所述第一点云的点处和所述第二点云的点处的表面法线；b）确定所述第一点云的表示，包括以下子步骤：i）将所述第一点云细分为单元，ii）基于所述第一点云的点处的表面法线对相应单元的点进行分组，iii）为每个单元中相应组的点确定正态分布；以及c）基于所述表示将所述第二点云（36）与所述第一点云（35）配准。点云（35）配准。点云（35）配准。

【技术实现步骤摘要】
使用激光扫描仪减少表示和配准点云时的多义性的方法


[0001]本专利技术涉及用于减少在表示和配准点云时的多义性的方法。

技术介绍

[0002]在现代工厂或工业4.0中，在内部物流或生产环境中越来越多地使用自主的工作机器，这些工作机器可以基于传感器数据独立行驶。
[0003]例如，借助于激光扫描仪可以获取用于这种自主工作机器的基于传感器数据的独立行驶运行的传感器数据。这样的激光扫描仪可以扫描自主工作机器的环境的一个或多个层面，以及在所发射的激光束的传播时间内测量至对象的距离。这些信息可以经由所述激光束的已知空间方向转换为点云。
[0004]例如，在（绘制）行程期间从不同视角和/或从不同地点检测所述点云，然后带有确定的偏移地转换到公共坐标系中并彼此对准。通过这种方式可以完全检测环境。所述偏移的确定在此称为配准。所述配准可以在产生环境地图数据的范围内进行。然而，为了基于获取的传感器数据来确定用于确定所述传感器数据的激光扫描仪位于哪个位置（其方式是基于地图数据来配准所述传感器数据），也可以进行所述配准。该过程称为定位。
[0005]所述配准的任务是，一方面对用激光扫描仪检测为传感器数据的点云进行高效的表示（关于存储要求和建模精度），并且另一方面使得可以在两个（任意但重叠的）点云之间就选择的表示而言进行高效的（关于计算耗费和精度）配准。
[0006]已知的配准方案是正态分布变换（NDT），该方案定义了点云的表示和用于配准点云的方法，包括估计不确定性，并且定义了品质度量（分数）。在这种方法中，将所述点云的点所位于的空间细分为多个单元。针对相应单元中的点计算正态分布，然后进一步处理所述正态分布。借助于NDT方案的表示可以在计算上非常有效地实现，提供精确的配准结果，并隐含地确定分数参数以及不确定性的估计。因此，NDT方案具有在位姿图框架中使用的许多有用特性，并且因此由许多激光定位系统（LLS）使用。
[0007]但是，除了上述优点外，NDT方案还具有一些弱点，特别是在表示单元内的点云方面，如果所述点云只能通过正态分布不充分建模的话。在实践中已经发现，在特定情况下所述正态分布不适用于足够精确地对相应单元中用于配准的点建模。
[0008]NDT方案的另一个弱点在于将物理上合理的配准与不可能的配准区分开的可能性。这种可能性在NDT方案中可能无法充分出现。NDT方案的这些局限性的背景是，激光扫描仪的每个点都通过对象上的反射产生，而该反射或该点不能从穿过对象的对侧观察到。实践中这个问题例如导致，在使用经典NDT时，在绘制行程期间将内壁意外地放置到外壁上，因此地图包含错误。

技术实现思路

[0009]由此出发，这里描述了一种特别有利的方法，用于在定位系统中使用激光扫描仪来减少在表示和配准点云时的多义性。
[0010]这里描述了一种用于减少在表示和配准点云时的多义性的方法，其中所述点云由至少一个激光扫描仪产生或从导航地图中提取，并且其中分别接收第一点云和第二点云作为输入变量，所述方法至少包括以下步骤：a）确定所述第一点云的点处和所述第二点云的点处的表面法线，b）确定所述第一点云的表示，包括以下子步骤：i）将所述第一点云细分为单元，ii）基于所述第一点云的点处的表面法线对相应单元的点进行分组，iii）为每个单元中相应组的点确定正态分布，以及c）基于所述表示将所述第二点云与所述第一点云配准。
[0011]所描述的方法可以在用于内部物流或生产环境的自主工作机器中使用，以分析用激光扫描仪获取的输入数据。这对于自主工作机器的基于激光数据的绘制行程来说特别有利，由此尽可能避免了对内壁和外壁以及角的错误识别而不牺牲定位效率。
[0012]所描述方法的核心是在正态分布变换（NDT）方案中引入表面法线形式的附加变量。这特别是通过步骤a）和子步骤ii）进行描述。这是常规NDT方法的扩展，由此点云（尤其是在单元中）的表示更加精确，并且点云的配准在物理上更合理。由于这里在考虑表面法线的条件下执行NDT方法，因此所描述的方法称为ONDT方法（表面法线正态分布变换）。因此，当通过ONDT方法来表示点云时，称为ONDT表示。
[0013]为了进行定位，需要环境的导航地图和包括至少一个激光扫描仪的定位系统。在此，所述至少一个激光扫描仪发射激光束，所述激光束逐点扫描所述至少一个激光扫描仪的环境并被对象反射。部分反射光束被所述至少一个激光扫描仪再次捕获，并以点云的形式检测。由此所述环境由检测的点云表示。此外，所述定位系统尝试通过将检测的点云（即所述环境）与所述导航地图连续比较来确定最可能的位置。通常，所述导航地图同样是由所述定位系统在绘制过程中生成的。
[0014]通常从不同视角和/或要绘制的环境的不同地点来检测点云，在这些地点中典型地虽然不检测整个环境，但作为条件这些地点至少会部分重叠。为了完全检测所述环境，所述定位系统借助于重叠区域执行不同点云之间的成对配准，并由此构建成对连接的点云的网络。
[0015]成对配准在这里特别是意味着分别选择两个点云，它们典型地至少部分地具有重叠区域，并且通过平移和/或旋转的偏移转换到公共坐标系中并且彼此对准。在该上下文中，配准意味着估计其平移和/或旋转的偏移。还可以想到的是，在计算机器的执行层面上同时并行地执行多个成对配准。
[0016]在成对配准时，可以选择一个点云作为参考点云，而将另一个点云与所述参考点云配准。在这里，所述参考点云称为第一点云，而所述另一个点云称为第二点云。
[0017]所述第一点云和所述第二点云可以通过所述至少一个激光扫描仪检测，由此通过两个点云的配准完全检测所述环境。但是，也可以从导航地图中提取所述第一点云，并且可以通过至少一个激光扫描仪检测所述第二点云。因此，通过配准两个点云来确定位置。
[0018]为了执行这里描述的ONDT方法，尤其是在步骤a）中在所述第一点云的点处和所述第二点云的点处都确定表面法线。表面法线在这里特别是意味着垂直于（通常是弯曲的）但在围绕点的小环境中近似平坦的表面并且指向传感器原点方向的法向矢量。也就是说，该
点的表面法线指向激光扫描器发射光束以形成该点的方向。由此，可以例如根据所述至少一个激光扫描仪的扫描过程明确地确定该点的表面法线。可以为每个点确定一个表面法线。附加地，还可以想到的是，在多个点上对所述法线矢量进行平滑处理。这种方案可以简单地扩展到3D情况。
[0019]在确定了所述表面法线后，在步骤b）中通过ONDT表示所述第一点云。对于ONDT方法，在子步骤i）中将所述第一点云或所述第二点云的区域细分为单元Z
j
（通常，该空间的任何分区都是可能的，包括基于点云确定最佳可能分区的自适应分区），这些单元可以重叠，但不必强制。单元Z
j
的大小极为强烈地取决于应用，并且典型地在直径10cm
‑
5m之间变化。
[0020]在此为不同变量定义注释方法，使得第一个字母Z对应于变量大小，而其他字母（i，j，k，o，n等）对应于索引。在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于减少在表示和配准点云（35、36）时的多义性的方法，其中所述点云（35、36）由至少一个激光扫描仪（19）产生或从导航地图中提取，并且其中分别接收第一点云（35）和第二点云（36）作为输入变量，所述方法至少包括以下步骤：a）确定所述第一点云（35）的点处和所述第二点云（27）的点处的表面法线（24、25、26、27），b）确定所述第一点云（35）的表示，包括以下子步骤：i）将所述第一点云（35）细分为单元（9、10、11、12），ii）基于所述第一点云（35）的点处的表面法线（24、25、26、27）对相应单元（9、10、11、12）的点进行分组，iii）为每个单元中相应组的点确定正态分布，以及c）基于所述表示将所述第二点云（36）与所述第一点云（35）配准。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a）中确定所述第一点云（35）和/或所述第二点云（36）的每个点处的表面法线（24、25、26、27），其中点的表面法线（24、25、26、27）被确定为，使得所述点的表面法线（24、25、26、27）垂直于所述点的切向矢量（31），所述切向矢量从该点出发对准该点的后继点。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在子步骤ii）中将相应单元（9、10、11、12）的点分组，使得将定向空间在不同锚定方向上均匀地细分为子定向空间，并且将所述点基于其表面法线（24、25、26、27）划分到不同的子定向空间中。4.根据权利要求3所述的方法，其中在子步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：F，
申请(专利权)人：罗伯特，
类型：发明
国别省市：