基于二维激光雷达的四旋翼无人机三维环境重构方法
【技术领域】
[0001]本发明属于基于二维激光雷达的三维环境重构领域，涉及二维激光雷达的三维点云数据采集方法，三维模型八叉树节点填充方法等。
【背景技术】
[0002]激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的系统。激光雷达向目标发射激光束，然后将接收到的从目标反射回来的信号(反射波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离等参数。
[0003]随着科学技术的发展，激光雷达三维点云重建技术在各个领域得到了广泛的应用。在军事方面，三维点云重建技术可应用于未知环境侦查。在民用领域，可应用于建筑物修复及考古等领域。传统的激光全站仪可以获得周边环境的三维数据，从而重建出环境的三维模型。但是，激光全站仪价格昂贵、设备体积庞大，在实际应用中存在视野上的限制，无法一次实现360度全视野的探测。为得到被测环境完整的点云数据，需要对物体进行多个角度的扫描处理，大大增加了扫描难度。
[0004]哈尔滨工业大学设计了搭载两个二维激光雷达的地面移动机器人。其中，30米UTM-30LX激光雷达竖直安装扫面Z轴信息，4米UBG-04LX激光雷达水平安装扫描X-Y平面信息。通过融合两个二维激光雷达数据，可以获得完整的三维点云数据，实现实时定位与建图与三维环境重建功能。
[0005]分析已有文献的技术报道可以看出，相比于搭载两个二维激光雷达的地面移动机器人，搭载一个二维激光雷达的四旋翼无人机具有机动性强，价格低廉的特点，具有重要的理论和应用价值。
【发明内容】
[0006]为克服现有技术的不足，提供简便实用、适用范围广、能够实时构建三维地图的装置，本发明采取的技术方案是，基于二维激光雷达的四旋翼无人机三维环境重构方法，包括下列步骤:
[0007]I)利用激光雷达配合反射镜的方法，将激光雷达部分激光束反射到地面上以获取四旋翼无人机距离地面高度；
[0008]2)利用八叉树节点填充法进行三维地图重建。
[0009]所述利用八叉树节点填充法进行三维地图重建具体步骤是，四旋翼的水平位置和高度信息构成所要表示的所有三维点云数据，以V表示，即V = {Xi，Yi, Zj，i = I, 2，3，…其中Xi, Yi, ^分别表示四旋翼无人机的水平位置和高度。假设V可以放在一个充分大的正方体C内，即为树根，则八叉树的每个节点与其中的子立方体对应。如果V = C，则该八叉树仅有树根。如果V # C，则将C等分为八个子立方体，每个子立方体与树根的一个子节点对应。只要某个子立方体不是完全空白或者完全被填充，就继续讲该立方体进行八等分，直至所有的立方体完全空白或者被点云数据所填充。
[0010]与已有技术相比，本发明的技术特点与效果:
[0011]1.体积小，重量轻，机动性强。传统的基于三维激光雷达的三维环境重构系统，受体积和重量的限制，无法在狭小空间内应用。而本发明提出的基于二维激光雷达的四旋翼无人机三维环境重构系统，充分利用四旋翼无人机体积小、重量轻、机动性强的特点，能够大范围移动，适用范围更广。
[0012]2.实时性好。本发明提出的三维模型八叉树节点填充方法，大大提高三维地图重建效率。在四旋翼无人机飞行过程中，可实时构建三维地图。
【附图说明】
[0013]图1是描述八叉树三维空间的树状数据结构。
【具体实施方式】
[0014]本发明所要解决的技术问题是，采用二维激光雷达为基础，以四旋翼无人机为核心的硬件架构，降低了三维环境重构系统的成本，提出二维激光雷达的三维点云数据采集方法，使用平面镜采集部分激光束投影至地面采集高度信息，提高高度信息精度，使用三维模型八叉树节点填充方法大大提高三维环境重构效率。
[0015]本发明所采用的技术方案是:基于二维激光雷达的四旋翼无人机三维环境重构系统，包括如下步骤:
[0016]I)为得到高精度的高度信息，使用激光雷达配合反射镜的方法，将激光雷达部分激光束反射到地面上以获取四旋翼无人机距离地面高度。本文使用的激光雷达扫描区域为270°，共计1080束激光束，反射镜将扫描区域最末端的30束激光束反射至地面以获取四旋翼无人机高度信息。反射镜支架使用SolidWOrks2013设计，并采用3D打印技术制作。本发明中将激光雷达采集到的高度信息进行滤波后用于三维环境重构。
[0017]2)八叉树(octree)，又称八元树，是一种用于描述三维空间的树状数据结构。八叉树的每个节点表示一个正方体的体积元素，每个节点有八个子节点，这八个子节点所表示的体积元素加在一起就等于父节点的体积。其中白节点，它所对应的立方体中无内容。斑点节点，它对应的立方体部分被填充。黑色节点，它所对应的立方体全部被填充。八叉树的每个节点与一个子立方体对应。将整个空间分为八个子立方体，若某个子立方体不是完全空白或完全被填充，就要被继续等分为8个子立方体，从而对应的节点也就有了八个子节点。不是完全空白或完全被填充的子立方体，被再次八等分。这样的递归判断、分割一直要进行到节点所对应的立方体或是完全空白，或是完全被填充。
[0018]以该发明为例，四旋翼的水平位置和高度信息构成所要表示的所有三维点云数据，以V表示，即V = (Xi, Yi, zj, i = I, 2，3，…其中Xi, Yi, Zi*别表示四旋翼无人机的水平位置和高度。假设V可以放在一个充分大的正方体C内，即为树根，则八叉树的每个节点与其中的子立方体对应。如果V = C，则该八叉树仅有树根。如果V # C，则将C等分为八个子立方体，每个子立方体与树根的一个子节点对应。只要某个子立方体不是完全空白或者完全被填充，就继续讲该立方体进行八等分，直至所有的立方体完全空白或者被点云数据所填充。使用八叉树节点填充方法可以大大提高三维地图重建效率。
[0019]基于二维激光雷达的四旋翼无人机三维环境重构系统，包括如下步骤:
[0020]I)为得到高精度的高度信息，使用激光雷达配合反射镜的方法，将激光雷达部分激光束反射到地面上以获取四旋翼无人机距离地面高度。本文使用的激光雷达扫描区域为270°，共计1080束激光束，反射镜将扫描区域最末端的30束激光束反射至地面以获取四旋翼无人机高度信息。反射镜支架使用SolidWOrks2013设计，并采用3D打印技术制作。
[0021]2)八叉树(octree)，又称八元树，是一种用于描述三维空间的树状数据结构。八叉树的每个节点表示一个正方体的体积元素，每个节点有八个子节点，这八个子节点所表示的体积元素加在一起就等于父节点的体积。其中白节点，它所对应的立方体中无内容。斑点节点，它对应的立方体部分被填充。黑色节点，它所对应的立方体全部被填充。八叉树的每个节点与一个子立方体对应。将整个空间分为八个子立方体，若某个子立方体不是完全空白或完全被填充，就要被继续等分为8个子立方体，从而对应的节点也就有了八个子节点。不是完全空白或完全被填充的子立方体，被再次八等分。这样的递归判断、分割一直要进行到节点所对应的立方体或是完全空白，或是完全被填充。
[0022]以该发明为例，四旋翼的水平位置和高度信息构成所要表示的所有三维点云数据，以V表示，即V = (Xi, Yi, zj, i = I, 2，3，…其中Xi, Yi, Zi*别表示四旋翼无人机的水平位置和高度。假设V可以放在一个充分大的正方体C内，即为树根，则八叉树的每个节点与其中的子立方体对应。如果V = C，则该八叉树仅有树根。如果V # C，则将C等分为八个子立方体，每个子立方体与树根的一个子节点对应。只要某个子立方体不是完全空白或者完全被填充，就继续讲该立方体进行八等分，直至所有的立方体完全空白或者被点云数据所填充。使用八叉树节点填充方法可以大大提高三维地图重建效率。
【主权项】
1.一种基于二维激光雷达的四旋翼无人机三维环境重构方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)利用激光雷达配合反射镜的方法，将激光雷达部分激光束反射到地面上以获取四旋翼无人机距离地面高度； 2)利用八叉树节点填充法进行三维地图重建。2.如权利要求1所述的基于二维激光雷达的四旋翼无人机三维环境重构方法，其特征在于，所述利用八叉树节点填充法进行三维地图重建具体步骤是，四旋翼的水平位置和高度信息构成所要表示的所有三维点云数据，以V表示，即V = Ixi, Yi, zj,i = I, 2，3，…其中Xi, Yi, ^分别表示四旋翼无人机的水平位置和高度。假设V可以放在一个充分大的正方体C内，即为树根，则八叉树的每个节点与其中的子立方体对应。如果V = C，则该八叉树仅有树根。如果V # C，则将C等分为八个子立方体，每个子立方体与树根的一个子节点对应。只要某个子立方体不是完全空白或者完全被填充，就继续讲该立方体进行八等分，直至所有的立方体完全空白或者被点云数据所填充。
【专利摘要】本发明属于基于二维激光雷达的三维环境重构领域，为，提供简便实用、适用范围广、能够实时构建三维地图的装置，本发明采取的技术方案是，基于二维激光雷达的四旋翼无人机三维环境重构方法，包括下列步骤：1)利用激光雷达配合反射镜的方法，将激光雷达部分激光束反射到地面上以获取四旋翼无人机距离地面高度；2)利用八叉树节点填充法进行三维地图重建。本发明主要应用于二维激光雷达的三维环境重构。
【IPC分类】G01S7/48
【公开号】CN104931953
【申请号】CN201510373983
【发明人】鲜斌, 宋英麟
【申请人】天津大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年6月30日