一种非接触式目标动态测量方法、装置及系统与流程

本发明属于计算机视觉三维点云处理领域，主要面向无机械感应结构的设备对接场景中的实时测距，具体涉及是一种非接触式目标动态测量方法、装置及系统。

背景技术：

1、在现实作业场景下会遇到面向复杂环境中固定设备的对接问题，一些设备不具有物理对接位置或设备本体不易进行改变，在接触或靠近作业过程中需要进行动态测距，实时保持接触部位的稳定以便于进行作业。

2、激光测距是广泛应用的手段之一，激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点，这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都十分关键。在环境简单、位移速度慢的情况下，单束激光容易定位并返回准确的距离值。在复杂环境中，激光的反射点会随扰动随机变化，利用多束激光能够描述被测目标位置信息，通过匹配算法可以从结构信息判断目标位移，测距方式更具有泛化性。

3、本发明研究了对点云数据的多重滤波，以及两种针对性的点云配准算法，利用配准获取三维空间中目标的实时位移量，并在目标丢失的情况下，利用滤波的方式进行目标跟踪。

技术实现思路

1、本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种非接触式目标动态测量方法、装置及系统，能够在环境条件不利于接触时，对靠近待测目标的距离进行实时监控。系统使用激光雷达采集的点云信息与位姿传感器采集系统自身的姿态变化信息来计算待测目标的实时移动矢量并输出。

2、本发明的技术方案如下：

3、第一方面，本申请提供了一种非接触式目标动态测量方法，包括如下步骤：

4、在接近待测目标的过程中，同步获取激光雷达发送的包含待测目标的连续帧点云信息与位姿传感器发送的位姿信息；

5、对包含待测目标的连续帧点云信息进行多重滤波处理和目标分割提取的预处理操作；

6、将经过预处理后的连续帧点云进行配准，并将相应的位姿变化量作为配准时的旋转向量，计算得到平移向量；

7、根据旋转向量和平移向量得到待测目标的实时移动矢量，进而对待测目标进行相对位置的追踪。

8、其进一步的技术方案为，对包含待测目标的连续帧点云信息进行多重滤波处理，包括：

9、对包含待测目标的连续帧点云信息，依次进行半径滤波、均匀滤波和统计滤波处理。

10、其进一步的技术方案为，半径滤波处理包括：

11、输入包含待测目标的连续帧点云，计算每个点在给定的滤波半径范围内的其他点的个数，将其他点的个数少于某一设定阈值的点滤除，依序迭代留下最密集的主体点云。

12、其进一步的技术方案为，均匀滤波处理包括：

13、对半径滤波后的点云创建一个三维体素栅格，在每个体素栅格中保留一个最接近体素中心的点来替代该体素栅格中的所有点，使得滤波后的点云分布基本均匀。

14、其进一步的技术方案为，统计滤波处理包括：

15、对于均匀滤波后的每一点云，采用kd树搜索算法查找与点云pi最近的k个邻居点pj，计算点云pi(xi,yi,zi)与邻居点pj(xj,yj,zj)的平均距离di，以及全局距离均值μ和标准差σ，并将di不在μ±σ范围内的点云pi作为噪声点滤除；

16、各计算表达式分别为：

17、

18、

19、

20、式中n表示均匀滤波后的点云数量。

21、其进一步的技术方案为，将经过预处理后的连续帧点云进行配准，包括：

22、在与待测目标的距离或相对移动范围超过相应的给定阈值时，采用ransac算法对经过预处理后的连续帧点云进行粗配准；

23、经过粗配准监督后，当前后帧点云的平移向量达到设定的稳定区间，或者与待测目标的距离不再超过相应的给定阈值时，采用icp算法对经过预处理后的连续帧点云进行精配准。

24、其进一步的技术方案为，该方法还包括：

25、当所用的配准算法无法收敛或迭代时间超出阈值时，判定为出现目标被遮挡或丢失的情况，采用卡尔曼滤波进行目标跟踪，将跟踪结果作为当前的待测目标位置并输出预测的实时移动矢量，直至配准算法收敛。

26、第二方面，本申请还提供了一种非接触式目标动态测量装置，该装置包括：

27、数据接收模块，用于在接近待测目标的过程中，同步获取激光雷达发送的包含待测目标的连续帧点云信息与位姿传感器发送的位姿信息；

28、数据滤波模块，用于对包含待测目标的连续帧点云信息进行多重滤波处理；

29、分割与特征提取模块，用于对多重滤波后的连续帧点云进行目标分割提取；

30、点云配准与测量模块，用于对目标分割提取后的连续帧点云进行配准，并将相应的位姿变化量作为配准时的旋转向量，计算得到平移向量，再根据旋转向量和平移向量得到待测目标的实时移动矢量，进而对待测目标进行相对位置的追踪。

31、其进一步的技术方案为，该装置还包括：

32、目标跟踪与预测模块，用于当所用的配准算法无法收敛或迭代时间超出阈值时，判定为出现目标被遮挡或丢失的情况，采用卡尔曼滤波进行目标跟踪，将跟踪结果作为当前的待测目标位置并输出预测的实时移动矢量，直至配准算法收敛。

33、第三方面，本申请还提供了一种非接触式目标动态测量系统，该系统包括：

34、激光雷达，用于在系统与待测目标接近的过程中，同步采集包含待测目标的连续帧点云信息，并传输给嵌入式计算机；

35、位姿传感器，用于在系统与待测目标接近的过程中，同步采集系统自身的位姿信息，并传输给嵌入式计算机；

36、嵌入式计算机，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现第一方面所述的方法的步骤；

37、电源模块，用于给嵌入式计算机供电。

38、本发明的有益技术效果是：

39、1.本申请利用多种滤波方式处理激光雷达发送的包含待测目标的连续帧点云信息，减少点云数量并降低噪声，有利于提高点云配准精度和速度。

40、2.本申请利用位姿传感器与激光雷达同步采集，将与连续帧点云对应的由位姿传感器测量的位姿变化信息作为配准时的旋转向量，为配准算法提供先验值从而减少算法迭代次数、提升速度。

41、3.本申请利用两种点云配准算法，即ransac算法的粗匹配能够保证实时位移较大时的运行速度，以及icp算法的精匹配能够在较为稳定时提升算法精度。

42、4.本申请还利用卡尔曼滤波进行目标跟踪，有利于提升目标被遮挡或丢失情况下的算法鲁棒性。

技术特征：

1.一种非接触式目标动态测量方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的非接触式目标动态测量方法，其特征在于，对所述包含待测目标的连续帧点云信息进行多重滤波处理，包括：

3.根据权利要求2所述的非接触式目标动态测量方法，其特征在于，半径滤波处理包括：

4.根据权利要求2所述的非接触式目标动态测量方法，其特征在于，均匀滤波处理包括：

5.根据权利要求2所述的非接触式目标动态测量方法，其特征在于，统计滤波处理包括：

6.根据权利要求1所述的非接触式目标动态测量方法，其特征在于，所述将经过预处理后的连续帧点云进行配准，包括：

7.根据权利要求1所述的非接触式目标动态测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

8.一种非接触式目标动态测量装置，其特征在于，所述装置包括：

9.根据权利要求8所述的非接触式目标动态测量装置，其特征在于，所述装置还包括：

10.一种非接触式目标动态测量系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种非接触式目标动态测量方法、装置及系统，主要面向无机械感应结构的设备对接场景中的实时测距，该方法包括：在非接触条件下，利用激光雷达与位姿传感器对目标点云进行前后帧配准，从而获取待测目标的实时移动矢量。配准前利用多种滤波方式处理连续帧点云信息，减少点云数量、降低噪声。配准时利用两种点云配准算法进行先粗后细的点云匹配，并且利用位姿传感器采集的位姿变化量作为配准时的旋转向量，为配准算法提供先验值从而减少算法迭代次数、提升速度。针对遮挡或目标丢失情况，利用滤波算法进行目标跟踪。

技术研发人员：何芸倩,张波,王飞,鲍嘉伟,周则兴,陈卓
受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29