三维感知传感器及其面向建筑物的主动重建方法技术

本发明专利技术公开了一种三维感知传感器，通过设计由云台底盘、云台支架、驱动电机构成的二轴云台来提供激光雷达的俯仰角与偏航角，从而满足主动重建的任务。同时还公开了一种面向建筑物的主动重建方法，用于解决户外场景的建筑物的主动重建问题，以地面移动机器人的运动学特性和应用场景为导向，提出并建立了一种新颖的基于移动机器人的面向建筑物的主动重建系统，从而实现了户外场景下建筑物的主动探索与重建技术的视角与路径规划，在此基础上，又进一步研究并提出了一种基于因子图优化的激光雷达

Three dimensional sensing sensor and its active reconstruction method for buildings

【技术实现步骤摘要】
三维感知传感器及其面向建筑物的主动重建方法


[0001]本专利技术属于自动驾驶领域，具体涉及一种三维感知传感器及其面向建筑物的主动重建方法。

技术介绍

[0002]未知户外场景的探索与主动重建是大多数户外移动机器人的基础技术。户外清洁、灾后救援和国防军事等场景，对于未知环境的探索有很高的时效性或准确性的需求。以自动驾驶技术举例，目前的自动驾驶技术的定位几乎完全依赖于预先建立的高精度地图信息。高精度地图即是利用传感器对未知环境进行探索并采集关键信息，然后通过人工标注、提取高级特征获得。因此，目前的自动驾驶技术在面对未知环境时，其系统的稳定性与鲁棒性会受到较大的挑战，当未知环境中的某些参与物发生了变化，而高精度地图没有对该参与物进行重新采集，会使高精度地图的信息出现误差，进而影响自动驾驶或移动机器人的导航。针对上述问题，学界致力于研究与提升移动机器人在场景未知的户外场景下的主动探索与重建能力，继而实现移动机器人能够主动地探索环境，并探索环境中的未知区域，标记不可探测区域与可行驶区域。
[0003]专利技术专利《智能体主动构建环境场景图谱的方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维感知传感器，其特征在于，包括：云台底盘，所述云台底盘上安装转动件，所述转动件可相对所述云台底盘转动；云台支架，所述云台支架安装在所述转动件上端面，以使所述转动件带动所述传感器支架转动，所述云台支架上设置连杆升降机构；驱动电机，所述驱动电机包括第一电机和第二电机，所述第一电机安装在所述云台底盘上用于驱动所述转动件转动，所述第二电机安装在所述云台支架上，所述第二电机用于驱动所述连杆升降机构运动，以使所述连杆升降机构远离所述云台底盘的一端做升降运动；激光雷达，所述激光雷达通过安装板与所述连杆升降机构的上端处的转动块连接，以使所述连杆升降机构驱动所述安装板上的激光雷达做俯仰运动；陀螺仪，所述陀螺仪设置在所述激光雷达的一侧，以使所述陀螺仪与所述激光雷达一起运动；所述第一电机驱动所述云台支架转动以使所述激光雷达具有偏航角的自由度，所述第二电机驱动所述连杆升降机构上端处的转动块转动以使所述激光雷达具有俯仰角的自由度。2.根据权利要求1所述的三维感知传感器，其特征在于，所述连杆升降机构包括与所述第二电机的输出轴连接的转动杆和与所述转动杆连接的升降杆，所述升降杆竖向设置，所述转动杆的一端与所述第二电机的输出轴连接，所述转动杆的另一端与所述升降杆的一端连接，所述升降杆的另一端与所述转动块连接，所述转动块与所述云台支架转动连接，以使所述升降杆驱动所述转动块转动，所述安装板安装在所述转动块上，以使所述转动块转动时所述安装板做俯仰运动。3.一种面向建筑物的主动重建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1.通过机器人的激光雷达对建筑物进行扫描，并将扫描区域中获取的每帧点云进行坐标转换，将每帧点云用于更新建筑物的地图，以完成重建建筑物的地图，建筑物重建的地图为栅格地图；步骤S2.对于步骤S1建筑物重建的地图，采用点云更新栅格地图中建筑物的占据栅格和占据栅格特定半径范围内的非占据栅格；步骤S3.每当步骤S2中的每一帧点云被用于更新栅格地图的占据栅格和非占据栅格后，计算该点云的轴对齐包围框，在轴对齐包围框内提取在空间上与建筑物的占据栅格毗邻，并且与未知栅格毗邻的栅格作为边境栅格，并且删除任何与轴对齐包围框有交集的边境栅格聚类，以完成对边境栅格的提取；步骤S4.在步骤S3提取得到边境栅格后，利用区域增长算法对边境栅格进行聚类，使得空间上相连的边境栅格组成边境栅格聚类，通过设置阈值对边境栅格聚类进行筛选，筛选出符合设定阈值范围内的边境栅格聚类；步骤S5.通过步骤S4提取边境栅格并将其根据空间位置关系进行聚类，设边境栅格聚类的集合为C
frt
，机器人对边境栅格聚类进行观测，直到环境中没有边境栅格聚类或者所有边境栅格聚类都不能在机器人的可行驶区域内被看见；对于每一个边境栅格聚类C
frt
，通过在机器人可行驶区域内对边境栅格聚类进行视角采样，从而获得其对应的视角集合VP
i
；步骤S6.在得到边境栅格聚类的视角集合VP
i
后，根据边境栅格聚类所能观测到的信息
以及边境栅格聚类到当前机器人的位置给视角打分，以获得当前环境下每个边境栅格聚类的最佳观测视角，进而得到最高得分视角集合；步骤S7.在得到最高得分视角集合后，进行旅行商问题求解，求出下一个最佳视角，根据下一个最佳视角完成机器人的路径规划与导航；步骤S8.在完成步骤S7的路径规划后，机器人的主动探索与路径规划模式为规划
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执行
‑
观测循环，机器人执行规划好的路径，且在行走过程中，通过定位模块中的激光雷达对建筑物进行扫描，并将建筑物的占据栅格按照一定半径进行膨胀，获取膨胀后的位于占据栅格周围的自由栅格，以补全自由栅格，完成地图更新，同时完成步骤S5的视角采样，以使机器人通过路径规划完成对建筑物的主动探索与地图重建；步骤S1中的所述定位模块包括三维感知传感器和惯性测量单元IMU，所述三维感知传感器包括激光雷达和用于调整激光雷达偏航角和俯仰角的驱动电机。4.根据权利要求3所述的面向建筑物的主动重建方法，其特征在于，所述步骤S2中用点云更新占据栅格时采用的方法如下：对于机器人采集的当前点云的每一个三维点，计算其到所述三维感知传感器中心的连线所经过的三维栅格，并且增加这些栅格的非占据概率，形成非占据栅格；随后对该三维点所在的栅格，增加其占据的概率，从而完成了一个三维点的地图更新，对于建筑物重建的地图，只更新占据栅格附近的非占据栅格，而保留其他栅格的未知状态。5.根据权利要求3所述的面向建筑物的主动重建方法，其特征在于，所述步骤S2还包括占据栅格设定半径内的自由栅格补全，所述自由栅格即为非占据栅格，自由栅格补全方法包括如下步骤：步骤a1.对占据栅格按照设定半径进行膨胀，将膨胀出来的新的栅格设为栅格集合V
dl
；步骤a2.遍历栅格集合V
dl
并找出三维感知传感器视场角之外的栅格集合，标记为V
iv
；步骤a3.对经过步骤a2筛选剩下的栅格进行从三维感知传感器位置出发的光线投射，标记出被建筑物所遮挡的栅格集合，记为V...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈浩耀，曹明，李鸣航，楼云江，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：