一种室内未知环境下使用激光雷达定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种室内未知环境下使用激光雷达定位方法，在传统激光雷达定位基础上，完成室内未知环境下的地图构建，并在构建地图的基础上进行线段和角点的特征匹配，提出一种混合特征匹配滤波模型，实现室内未知环境下的实时精确定位。该方法简单易行，避免室内环境对定位过程的不利影响，适合工程实用。
【专利说明】一种室内未知环境下使用激光雷达定位方法
【技术领域】
[0001]本发明属于定位【技术领域】，特别是一种室内未知环境下使用激光雷达定位方法。【背景技术】
[0002]以往的定位系统主要解决的问题是在户外如何实时地实现载体的精确定位，但对于室内环境应用而言，这样的定位系统不能满足实时定位的精确性要求。GPS定位因为在室内容易受到信号干扰以及接收不到卫星信号而无法精确定位；地磁定位因为容易受到地磁干扰而无法精确定位；惯导系统定位因为随着时间发散而影响到定位精度；视觉导航定位系统受环境光照等影响剧烈，定位精度低，且定位可靠性差。因此，当载体在室内未知环境下运动时，实现对其实时、精确的定位成为当前定位系统发展的一个趋势。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是提供一种激光雷达定位方法，该方法可以排除室内环境对传统定位技术的限制，实现室内未知环境下的实时精确定位。
[0004]本发明公开的一种室内未知环境下使用激光雷达定位方法，包括以下步骤:
[0005]I)将激光雷达置于待定位的物体上；建立特征提取模型，提取室内环境下激光雷达扫描点里的线段和角点特征，并构建二维局部地图；
[0006]2)在所述步骤I)特征提取模型的基础上，以第一帧能够在局部坐标系下第二象限检测到直角的扫描点构建的地图作为全局地图，之后每一巾贞扫描点构建的局部地图与前一帧局部地图进行混合特征匹配，当发现新的线段特征和角点特征，就将特征加入到全局地图中，实现全局地图的实时更新；
[0007]3)在所述步骤2)的基础上，建立当前局部坐标系与全局坐标系的坐标转换关系，判断特征的空间变化，实现激光雷达的自定位，得到定位参数(Tx，Ty，Θ)，(Tx,Ty)表示为载有激光雷达的载体在室内的位置，Θ表不为载有激光雷达的载体在室内的相对偏移角度。
[0008]作为上述技术方案的进一步改进，步骤I)中所述的提取室内环境下激光雷达扫描点里的线段和角点特征的过程为:
[0009]11)设置自适应阈值Y = λ δ，λ为自适应因数，δ为激光雷达测量单位距离时的阈值；对激光雷达扫描点进行区域分块，去除跳变点；
[0010]12)进行线段分割，采用迭代的方式找出每个区域里离第一个点与最后一个点形成的线段距离最远的点，设置一个自适应阈值β，如果一个点到该线段的距离大于β，则为角点，得到角点位置信息(x，y)；
[0011]13)对线段分割得到的相邻角点之间的扫描点进行最小二乘法直线拟合，获得线段参数(a, b, rho, xs, ys, xe, ye)其中，(a, b)为线段拟合参数；rho为直线斜率；(xs, ys), (xe, ye)为线段的起始点和终止点坐标。
[0012]作为上述技术方案的更进一步改进，步骤2)中所述的混合特征匹配的过程为:
[0013]21)以初始时刻构建的地图作为全局地图，构建时刻与t。时刻的局部地图，分别获得地图中的特征参数，包括线段参数(a,，bprho,^，y4,Xyy4X和角点参数(x,，飞；)，其
中，i=l, 2，---,m, , m为地图的线段个数，j=l, 2，…k, k为地图的角点个数；
[0014]22)对时刻与t。时刻局部地图进行线段特征匹配；设定线段匹配判定条件:
[0015]条件1:判断线段在全局坐标系下与X轴的夹角:因为rho为线段斜率，可得到线段在局部坐标系下与X轴的夹角
[0016]β i = arctan Crhoi)(I)
[0017]利用上一时刻V1的定位参数_, T1^1, Ot ,)推算t。时刻激光雷达的转角，推算公式为:民=6> νθ€,
[0018]然后获得线段在全局坐标系下与X轴的夹角β:
【权利要求】
1.一种室内未知环境下使用激光雷达定位方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)将激光雷达置于待定位的物体上；建立特征提取模型，提取室内环境下激光雷达扫描点里的线段和角点特征，并构建二维局部地图； 2)在所述步骤I)特征提取模型的基础上，以第一帧能够在局部坐标系下第二象限检测到直角的扫描点构建的地图作为全局地图，之后每一帧扫描点构建的局部地图与前一帧局部地图进行混合特征匹配，当发现新的线段特征和角点特征，就将特征加入到全局地图中，实现全局地图的实时更新； 3)在所述步骤2)的基础上，建立当前局部坐标系与全局坐标系的坐标转换关系，判断特征的空间变化，实现激光雷达的自定位，得到定位参数(Tx，Ty，Θ ), (Tx, Ty)表示为载有激光雷达的载体在室内的位置，Θ表不为载有激光雷达的载体在室内的相对偏移角度。
2.根据权利要求1所述的一种室内未知环境下使用激光雷达定位方法，其特征在于:步骤I)中所述的提取室内环境下激光雷达扫描点里的线段和角点特征的过程为: 11)设置自适应阈值Y= λ δ，λ为自适应因数，δ为激光雷达测量单位距离时的阈值；对激光雷达扫描点进行区域分块，去除跳变点； 12)进行线段分割，采用迭代的方式找出每个区域里离第一个点与最后一个点形成的线段距离最远的点，设置一个自适应阈值β，如果一个点到该线段的距离大于β，则为角点，得到角点位置信息(x，y)； 13)对线段分割得到的相邻角点之间的扫描点进行最小二乘法直线拟合，获得线段参数(a, b, rho, xs, ys, xe, ye)其中，(a, b)为线段拟合参数；rho 为直线斜率；(xs, ys)，(xe, ye)为线段的起始点 和终止点坐标。
3.根据权利要求1所述的一种室内未知环境下使用激光雷达定位方法，其特征在于:步骤2)中所述的混合特征匹配的过程为: 21)以初始时刻构建的地图作为全局地图，构建V1时刻与t。时刻的局部地图，分别获得地图中的特征参数，包括线段参数，yis，w),和角点参数，飞 >其中，i=l, 2，---,m, , m为地图的线段个数，j=l, 2，…k, k为地图的角点个数； 22)对时刻与t。时刻局部地图进行线段特征匹配；设定线段匹配判定条件: 条件1:判断线段在全局坐标系下与X轴的夹角:因为rho为线段斜率，可得到线段在局部坐标系下与X轴的夹角 β i = arctan Crhoi)(I) 利用上一时刻V1的定位参数(TVl推算t2时刻激光雷达的转角，推算公式为= Ot ' +θε, 然后获得线段在全局坐标系下与X轴的夹角β gi: Pa1 = β?+0,O θ e为t。时刻航向预估误差角； 设置阈值δ进行线段匹配，如果(凡),.-(爲.<5，则认为该线段匹配；如果(PA ) , >5，则判断第i+l条线段斜率，直到所有线段都判断结束，寻找出多余的线段为新增线段； 条件2:从激光雷达坐标系原点作线段的法线P，获得法线与线段的交点('，')，其中，i=l, 2，，m为地图的线段个数:
4.根据权利要求1所述的一种室内未知环境下使用激光雷达定位方法，其特征在于: 步骤3)所述的激光雷达自定位过程如下: 在载体初始位置时，即激光雷达第一帧扫描点，构建全局坐标系，此刻获得的激光雷达的位置和角度都为初始值(T.'.、Λ 4)，此时测量的线段参数，角点参数都作为全局坐标系下的线段、角点参数，在载体运动过程中，实时地将采集到的新的特征加入到全局地图中，实现全局地图的实时更新，在进行全局地图更新的同时实现激光雷达自定位；t。时刻激光雷达测得的局部地图建立局部坐标系，在线段匹配过程中，当t。时刻激光雷达局部坐标系下线段Ii匹配全局坐标系下的线段igi，即可计算得出激光雷达在时刻的旋转角度6L
【文档编号】G01S17/58GK103941264SQ201410116319
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】杨景阳, 李荣冰, 刘建业, 林雪原, 张玲, 杭义军, 曾庆化, 廖自威 申请人:南京航空航天大学