一种多传感器融合的快速面拟合方法与流程

1.本发明涉及建筑墙面施工技术领域，尤其是涉及一种多传感器融合的快速面拟合方法。


背景技术：

2.随着建筑行业的智能化，建筑行业内涌现出多种建筑施工机器人，用于替代人工，实现安全、高效地施工，其中，墙面处理机器人需要感知诸多数据，包括设备与当前正在施工的墙面的距离及角度、当前墙面中是否有开关等障碍物、当前施工墙外的其他墙的位置结构等。在对墙面的检测中，实际上主体是面的拟合，通过多传感器的配合，快速拟合出平面，随后再进行其他逻辑判断，其中，包含传感器之间的布置方案、传感器间的数据融合、基于融合数据的快速面拟合计算。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种多传感器融合的快速面拟合方法，以解决现有技术中对传感器数据快速拟合出平面的技术问题。
4.本发明提供一种多传感器融合的快速面拟合方法，该方法适用于墙面处理建筑机器人，该机器人包括底盘，主升降结构，前端伸缩结构和主执行结构，所述前端伸缩结构在主升降结构表面竖直向的滑动连接，所述主执行结构在前端伸缩结构表面水平向的滑动连接，所述主执行结构表面固定有标定台架，该标定台架内包括位于中间的一台深度摄像头，以及位于两侧的两台激光测距仪，包括如下步骤：
5.sp1：水平位置机械调整：在标定台架内通过机械结构的位置布置深度摄像头和激光测距仪，使得两台激光测距仪打出的激光线均能够与深度摄像头的光轴保持平行，并均能垂直于一个标准的墙面，并通过调节两个激光测距仪的位置，使得两个激光测距仪与深度摄像头的原点在同一直线上；
6.sp2：后期标定：在标定台架的前方设置一个标准平面，并可自由调节标准平面与标定台架的距离及水平、垂直方向的角度；
7.sp3：记录数据：将激光测距仪的数据转换到深度摄像头坐标系下，即为{x1，y1，d}，其中，x1、y1为激光测距仪与深度摄像头的位置在深度摄像头坐标系下的位置差，d为测得的标准平面到此深度摄像头的直线距离；
8.sp4：获得点云数据：深度摄像头获取的数据为几万或更高数量的点云，每个点云的信息为(c,r){x，y，z}，其中，{x，y，z}为这个点到深度摄像头的坐标系的x，y，z坐标，c为这个点在点云中的行数，r为这个点在点云中的列数，并记录多组数据；
9.sp5：传感器数据拟合：将激光测距仪的数据替换加入点云中，形成一个(c,r){x1，y1，d}数据，其中，(c,r)设定为(-1，0)或其他不会原本不会有的(c,r)值，{x，y，z}值设为{x1，y1，d}，即实现将两种传感器的数据融合；
10.sp6：面拟合：基于上述数据融合后的数据经过结果必然包含激光测距仪转换后的
数据的特殊随机抽样形成面拟合。
11.进一步，所述面拟合过程包括如下步骤：
12.sp1：在数据融合后的数据中随机采样k个点；
13.sp2：对该k个点拟合平面模型，即通过最小二乘法或者其他方法拟合出一个平面；
14.sp3：计算其他点到标准平面的距离，如果小于一定阈值，该点被当作内点，则统计内点个数；
15.sp4：重复m次，选择内点数最多且激光测距仪数据中，到标准平面距离小于一定阈值的模型；
16.sp5：若在m次内，内点数占比大于某阈值且激光测距仪数据中，到标准平面距离小于一定阈值，停止重复，使用当前的模型。
17.基于融合后的数据进行抽样的过程中，抽样拟合的数度可极大地提高，可快速找到满足的合适平面。
18.进一步，所述激光测距仪的数据{x1，y1，d}在任何的距离、角度下应在点云中有一个或多个距离小于1mm的点，定义点云中的这组点为匹配点集；在任意的距离、角度下，得到的匹配点集为匹配点合集，匹配点合集中最多出现的同一(c,r)坐标点应出现率大于95％。
19.进一步，使用融合后的数据，极大的提升抽样拟合的数度，在m/3重复次数时，基本可满足条件找到合适的平面。
20.进一步，还可利用所有的内点进行重新估计模型。
21.与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
22.其一，现有技术中，在墙面的建筑施工中，对墙面的检测中，实际上主体是面的拟合，通过多传感器的配合，快速拟合出平面，随后再进行其他逻辑判断，其中，包含传感器之间的布置方案、传感器间的数据融合、基于融合数据的快速面拟合计算，针对上述问题，本发明设计了一款多传感器融合的快速面拟合的方法，将深度摄像头和激光测距仪位于同一坐标系中，并以深度摄像头作为坐标系原点，将多传感器在该坐标系下的数据进行融合，并将其中的(c,r)值设定为(-1，0)或其他不会原本不会有的(c,r)值，融合后的数据在数据的任何滤波、平滑过程中，均不包含激光测距仪融合产生的数据，可快速拟合出单帧的平面。
23.其二，本发明中，基于融合后的数据进行抽样的过程中，抽样拟合的数度可极大地提高，可快速找到满足的合适平面。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明中标定台架和墙面处理建筑机器人安装方式的示意图；
26.图2为本发明的流程示意图。
27.附图标记：
28.1、底盘；2、主升降结构；3、前端伸缩结构；4、主执行结构；5、标定台架。
具体实施方式
29.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
30.通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
31.基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.下面结合图1至图2所示，本发明实施例提供了一种多传感器融合的快速面拟合方法，该方法适用于墙面处理建筑机器人，该机器人包括底盘1，主升降结构2，前端伸缩结构3和主执行结构4，前端伸缩结构3在主升降结构2表面竖直向的滑动连接，主执行结构4在前端伸缩结构3表面水平向的滑动连接，主执行结构4表面固定有标定台架5，该标定台架5内包括位于中间的一台深度摄像头，以及位于两侧的两台激光测距仪，包括如下步骤：
33.sp1：水平位置机械调整：在标定台架5内通过机械结构的位置布置深度摄像头和激光测距仪，使得两台激光测距仪打出的激光线均能够与深度摄像头的光轴保持平行，并均能垂直于一个标准的墙面，并通过调节两个激光测距仪的位置，使得两个激光测距仪与深度摄像头的原点在同一直线上；
34.sp2：后期标定：在标定台架5的前方设置一个标准平面，并可自由调节标准平面与标定台架5的距离及水平、垂直方向的角度；
35.sp3：记录数据：将激光测距仪的数据转换到深度摄像头坐标系下，即为{x1，y1，d}，其中，x1、y1为激光测距仪与深度摄像头的位置在深度摄像头坐标系下的位置差，d为测得的标准平面到此深度摄像头的直线距离；
36.sp4：获得点云数据：深度摄像头获取的数据为几万或更高数量的点云，每个点云的信息为c,r{x，y，z}，其中，{x，y，z}为这个点到深度摄像头的坐标系的x，y，z坐标，c为这个点在点云中的行数，r为这个点在点云中的列数，并记录多组数据；
37.sp5：传感器数据拟合：将激光测距仪的数据替换加入点云中，形成一个c,r{x1，y1，d}数据，其中，c,r设定为-1，0或其他不会原本不会有的c,r值，{x，y，z}值设为{x1，y1，d}，即实现将两种传感器的数据融合；
38.sp6：面拟合：基于上述数据融合后的数据经过结果必然包含激光测距仪转换后的数据的特殊随机抽样形成面拟合。
39.现有技术中，在墙面的建筑施工中，对墙面的检测中，实际上主体是面的拟合，通过多传感器的配合，快速拟合出平面，随后再进行其他逻辑判断，其中，包含传感器之间的布置方案、传感器间的数据融合、基于融合数据的快速面拟合计算，针对上述问题，本发明设计了一款多传感器融合的快速面拟合的方法，将深度摄像头和激光测距仪位于同一坐标系中，并以深度摄像头作为坐标系原点，将多传感器在该坐标系下的数据进行融合，并将其中的c,r值设定为-1，0或其他不会原本不会有的c,r值，融合后的数据在数据的任何滤波、平滑过程中，均不包含激光测距仪融合产生的数据，可快速拟合出单帧的平面。
40.在另一个实施例中，面拟合过程包括如下步骤：
41.sp1：在数据融合后的数据中随机采样k个点；
42.sp2：对该k个点拟合平面模型，即通过最小二乘法或者其他方法拟合出一个平面；
43.sp3：计算其他点到标准平面的距离，如果小于一定阈值，该点被当作内点，则统计内点个数；
44.sp4：重复m次，选择内点数最多且激光测距仪数据中，到标准平面距离小于一定阈值的模型；
45.sp5：若在m次内，内点数占比大于某阈值且激光测距仪数据中，到标准平面距离小于一定阈值，停止重复，使用当前的模型。
46.基于融合后的数据进行抽样的过程中，抽样拟合的数度可极大地提高，可快速找到满足的合适平面，在m/3重复次数时，基本可满足条件找到合适的平面，还可利用所有的内点进行重新估计模型。
47.在另一个实施例中，激光测距仪的数据{x1，y1，d}在任何的距离、角度下应在点云中有一个或多个距离小于1mm的点，定义点云中的这组点为匹配点集；在任意的距离、角度下，得到的匹配点集为匹配点合集，匹配点合集中最多出现的同一c,r坐标点应出现率大于95％。
48.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。