一种基于占据栅格配准的车底巡检机器人单轴重定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于占据栅格配准的车底巡检机器人单轴重定位方法，具体为：机器人再部署期间进行模板采集；机器人运行期间，机器人依据重定位点编号，从SQL数据库中取出采集配置，根据采集配置中的采集时间累积当前点云数据，并对点云数据进行直通滤波；取出模板点云数据，对当前点云与模板点云进行下采样与统计学滤波，并使用单轴配准算法计算当前点云与模板点云之间在x轴方向的平移变换关系；再将当前点云与模板点云的平移变换关系叠加到模板位姿上，使用该新位姿重置机器人里程计。本发明专利技术提升了在复杂车底点云下点云相似程度计算效率，降低了在重复的检修地沟特征下算法陷入局部最优的失效概率，提升了算法在多个场景下的适用性。景下的适用性。景下的适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于占据栅格配准的车底巡检机器人单轴重定位方法


[0001]本专利技术属于机器人领域，具体涉及一种基于占据栅格配准的车底巡检机器人单轴重定位方法。

技术介绍

[0002]车底巡检机器人工作在狭窄的检修地沟内前后运动，根据预设的项点，对地沟上方的车辆底部的关键零部件(如螺栓、轮组、滤网、管线等)进行图像信息与特征信息的采集，并通过分析系统的处理，给出车辆是否需要进行维护的建议。车底巡检机器人提升了巡检质量与巡检效率，降低了工人的工作强度。
[0003]车底巡检机器人的重定位主要有如下两个任务：第一个，由于机器人在检修地沟内的移动距离往往达到几十甚至数百米，里程计会产生累积误差，使得机器人定位不准，无法准确地回到原点，此时需要重定位来修正机器人的里程计累积误差；第二个，由于车辆每次在检修地沟上方的停车位置不同，因此车辆坐标系与巡检地沟坐标系的变换关系是不定的，而巡检导航点的位姿需要基于这一变换关系计算，此时需要亚厘米级的重定位来检测车辆的停车位置。对于传统巡检机器人而言，重定位往往依赖于在运用现场安装反光板、二维码等外设，部署成本高，较新的方法中则考虑为巡检机器人配置3D激光雷达，从而使重定位转化为点云配准问题。S.Wanayuth等人于2013年在文章"Under
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vehicle inspection utilizing a mobile robot with a LRF sensor"中提出对于车底巡检机器人，可使用最近点迭代(ICP)算法进行点云配准，从而检测车辆的停车位置；Q.Tian等人于2019年在文章"A Novel Global Relocalization Method Based on Hierarchical Registration of 3D Point Cloud Map for Mobile Robot"中提出对于服务机器人，可通过对正态分布转换(NDT)算法与ICP算法的联合使用(NDT+ICP)，进行服务机器人全局定位误差的修正。然而上述算法均未考虑到特殊巡检对象车底点云复杂性以及检修地沟环境的特殊性，对于类似列车转向架的复杂点云，其所需要的处理时间过长，精度不高；而对于检修地沟这一具有大量重复墙面与立柱特征的场景，其优化迭代的计算方式使得存在陷入局部最优的配准错误的风险。同时，现有算法均在具有良好的迭代初值的前提下，才能具有准确的计算结果，而重定位场景下，对于良好的迭代初值的取得是较为困难的。
[0004]因此，有必要针对该场景研究车底巡检机器人在检修地沟内单自由度运动时的重定位实施策略与高效率高精度的配准算法，以达成车底巡检机器人重定位的主要目标。

技术实现思路

[0005]为在检修地沟内高精度、高效率地重定位任务，进而保证可以安全且高效的完成车辆的车底巡检作业。本专利技术根据车底巡检机器人在巡检地沟内的单自由度工作场景，基于车底特征点云与检修沟特征点云的特性，提供了一种基于占据栅格配准的车底巡检机器人单轴重定位方法。
[0006]本专利技术的一种基于占据栅格配准的车底巡检机器人单轴重定位方法，包括机器人
部署期间模板采集和运行期间基于模板重定位两部分。
[0007]机器人部署期间模板采集具体步骤为：
[0008]步骤A：选取重定位点，生成重定位点编号，并基于外部准确测量(如卷尺、激光测距仪等)将机器人移动到巡检地沟中对应位置上。
[0009]步骤B：根据现实情况确定点云累积时间、点云所需空间区域与点云下采样分辨率，根据编号生成采集配置；使用3D激光雷达累积点云数据，根据编号生成模板点云数据，同时将外部准确测量距离结果根据编号生成模板位姿，以重定位点编号为主键，插入到SQL数据库中。
[0010]步骤C：在机器人的业务流程中加入重定位部分，并给定重定位点编号，使得机器人自行从SQL数据库中读取采集配置、模板点云数据与模板位姿，并根据实际状况运行定位修正。
[0011]机器人运行期间基于模板重定位具体步骤为：
[0012]步骤1：机器人根据业务流程，依据重定位点编号，从SQL数据库中取出重定位点模板位姿，并以里程计定位信息作为参考，行驶到里程计认为已到达模板位姿的位置上停车，准备开始采集当前点云。
[0013]步骤2：机器人依据重定位点编号，从SQL数据库中取出采集配置，并调用3D激光雷达，根据采集配置中的采集时间累积当前点云数据，并根据采集配置中的所需空间区域对点云数据进行直通滤波，使其仅保留所需的部分。
[0014]步骤3：考虑到机器人在巡检地沟内仅具有前后行驶的单自由度，将机器人运行方向定义为x轴正方向，从SQL数据库中取出模板点云数据，对当前点云与模板点云进行下采样与统计学滤波，并使用单轴配准算法计算当前点云与模板点云之间在x轴方向的平移变换关系。
[0015]步骤4：将当前点云与模板点云的平移变换关系叠加到模板位姿上，使用该新位姿重置机器人里程计。
[0016]进一步的，步骤3中的单轴配准算法步骤具体为：
[0017]步骤3.1：生成x方向上的平移搜索空间，平移搜索空间表示为：
[0018][0019]式中，d
x
为搜索间隔，为x轴负方向上的最大搜索范围，即代数值最小的搜索距离，为x轴正方向上的最大搜索范围，即代数值最大的搜索距离，n为搜索空间的大小，表示为：
[0020][0021]从而搜索空间中第i项对应的x轴上的平移表示为：
[0022][0023]步骤3.2：枚举平移搜索空间T
x
，将当前点云P
c
根据t
i
变换为搜索点云P
t
，点云P
t
中的每一个点表示为：
[0024][0025]其中，为当前点云P
c
中的每一个点。
[0026]步骤3.3：将搜索点云P
t
与模板点云P
m
以一定分辨率转换为八叉树空间占据栅格M
t
与M
m
，从而可以查询M
m
中标记为占据的栅格，其对应栅格在M
t
中是否为占据状态，而这一查询是在栅格编号层面连续的。
[0027]步骤3.4：定义测度函数E(P
t
,P
m
)，用于评估搜索点云与模板点云的相似程度，考虑到点云均已被转换为八叉树空间占据栅格，因此测度函数表示为：
[0028][0029]而配准问题则转化为了求函数最大值的问题，表示为：
[0030][0031]使用平移空间搜索的方式，即可计算出当测度函数E(P
t
,P
m
)达到最大值时的平移变换t
r
，t
r
即为输出的配准结果。
[0032]本专利技术的有益技术效果为：
[0033]本专利技术提出的方法与现有方法相比，其优点在于：1)与传统巡检机器人重定位方法相比，该方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于占据栅格配准的车底巡检机器人单轴重定位方法，其特征在于，包括机器人部署期间模板采集和运行期间基于模板重定位两部分；机器人部署期间模板采集具体步骤为：步骤A：选取重定位点，生成重定位点编号，并基于外部准确测量将机器人移动到巡检地沟中对应位置上；步骤B：根据现实情况确定点云累积时间、点云所需空间区域与点云下采样分辨率，根据编号生成采集配置；使用3D激光雷达累积点云数据，根据编号生成模板点云数据，同时将外部准确测量距离结果根据编号生成模板位姿，以重定位点编号为主键，插入到SQL数据库中；步骤C：在机器人的业务流程中加入重定位部分，并给定重定位点编号，使得机器人自行从SQL数据库中读取采集配置、模板点云数据与模板位姿，并根据实际状况运行定位修正；机器人运行期间基于模板重定位具体步骤为：步骤1：机器人根据业务流程，依据重定位点编号，从SQL数据库中取出重定位点模板位姿，并以里程计定位信息作为参考，行驶到里程计认为已到达模板位姿的位置上停车，准备开始采集当前点云；步骤2：机器人依据重定位点编号，从SQL数据库中取出采集配置，并调用3D激光雷达，根据采集配置中的采集时间累积当前点云数据，并根据采集配置中的所需空间区域对点云数据进行直通滤波，使其仅保留所需的部分；步骤3：考虑到机器人在巡检地沟内仅具有前后行驶的单自由度，将机器人运行方向定义为x轴正方向，从SQL数据库中取出模板点云数据，对当前点云与模板点云进行下采样与统计学滤波，并使用单轴配准算法计算当前点云与模板点云之间在x轴方向的平移变换关系；步骤4：将当前点云与模板点云的平移变换关系叠加到模板位姿上，使用该新位姿重置机器人里程计。2.根据权利要求1所述的一种基于占据栅格配准的车底巡检机器人单轴重定位方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张目华，马磊，沈楷，孙永奎，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：