一种基于断面结构与转向角度约束的断面插值方法与流程

本发明涉及环境探测与机器人技术领域，特别地，涉及一种基于断面结构与转向角度约束的断面插值方法。

背景技术：

目前，常见的地下空间是指地下采空区，矿区巷道、人防工程、轨道交通隧道等。这些建构筑物往往需要对横断面进行量测，获取断面的空间坐标，必要的时候还需要对断面进行三维建模。

对于地下采空区的断面扫描，有助于了解采空区内部情况，辅助判别是否存在危险源，是否适合人员进入，能够为采空区的治理提供前期资料。

对于矿区巷道、人防工程的断面扫描，能够帮助获知内部情况，建立巷道、人防工程内部的三维模型，为模拟井下救援逃生、建立全区三维模型仿真提供数据支撑。

对于轨道交通隧道等的断面扫描，能够确定隧道内部监测点的位置信息，能够检测内部结构及灾害信息，同时避免人员进入对于人身安全造成的不利影响。

由于断面扫描不是连续进行，两个断面之间的时间可能间隔很长，因此需要在断面之间进行插值。由于断面点是空间点，目前已有的空间插值方法包括idw、克里金插值、naturalneighbour插值、样条函数插值等，但这些插值一般适用于分布较为均为的散点。断面模型具有其自身的结构特点，目前还没有适用于断面模型的插值方法。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于断面结构与转向角度约束的断面插值方法，以解决现有插值方法中没有适合断面模型的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于断面结构与转向角度约束的断面插值方法，包括步骤：

a、光纤陀螺仪收到的机器人角速率突然增大，单位时间转动角度超过阈值时，对该断面进行一次扫描，并标注该断面为拐角断面k；

扫描点的空间直角坐标为(xij,yij,zij)，其中i的范围为1～1520，j的范围为1～n；

b、当扫描到断面k相邻的拐角断面m时，则拐角断面k至拐角断面m的范围内包括r+1个断面，分别为k，k+1，…，k+b，…，m-1，m，0≤b<r，k<m，m-k＝r；

c、在拐角断面k至拐角断面m之间采用插值方法：

c1、提取所有断面的第一个扫描点，即i＝1,j＝k,k+1,…,k+b,…,m-1,m，0<b<r；

获得坐标点集合p(x1j,y1j,z1j)，其中j＝k,k+1,…,k+b,…,m-1,m，0≤b<r；

c2、将坐标点集合p中的x,y,z分别提取出来，得到集合x(x1j)，集合y(y1j)，集合z(z1j)，其中j＝k,k+1,…,k+b,…,m-1,m，0≤b<r；

c3、分别对集合x，y，z的坐标值进行采用拉格朗日插值或者牛顿插值等插值方法，等到插值后的坐标集合x’，y’，z’；

c4、将插值后的坐标集合x’，y’，z’分别对应提取出来，形成插值后的坐标点集合p’；

c5、将点坐标集合p’坐标存储，重新进行上述步骤，对2～1520序号的点进行插值。

优选的，步骤a中，角速率在单位时间转动角度的阈值为10°/秒。

优选的，断面的点云数据是通过二维激光雷达扫面得到。

优选的，所述点云数据的坐标为空间直角坐标，是由二维激光雷达获得的原始的极坐标通过转换得到。

本发明具有以下有益效果：

因在相邻断面之间进行了插值，本申请基于断面结构与转向角度约束的断面插值方法能够有效的避免尖锐拐角造成的模型误差。

插值是用光滑的曲线或者曲面将一系列点连接起来，曲线或者曲面上的点就是插值点。也就是说，如果没有将尖锐拐角区分出来，那么插值以后模型就是一个光滑的模型，失去了尖锐拐角这个明显的模型特征。而本发明专利提供的方法，能够保存这种特征点，使模型更加真实。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的插值前示意图；

图2是本发明优选实施例的插值后示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

由于二维激光雷达自身特性，每一个断面扫描时，扫描范围为190°，角度分辨率为0.125°，因此，每一个断面有1520个点。以顺时针方向，从左至右编号1,2,3…,1520。机器人在进行过程中进行了n次断面扫描，断面编号为1,2,3…,n-1,n。

机器人上安装有光纤陀螺仪，记录机器人水平转动的角速率。当机器人角速率突然增大超过阈值θ时，自动对该断面进行一次扫描。如果此时刻前后机器人正常行进时方位角差值超过阈值φ，且正在操控机器人转向，则视为隧道、巷道等在此处有较大的水平弯折，标注该断面为拐角断面。

考虑到陀螺仪自身精度和机器人自身转动的机械性能，角速率增大阈值10°/秒。由于机器人在行进时是以直行轨迹行进，需要转弯时需要将机器人停下以后控制机器人在原地转向，并且在崎岖路面上行进时由于颠簸机器人可能会有轻微的转向。因此，根据实际情况以及实际测试的数据，机器人正常行进时方位角差值差值阈值需要超过30°，且机器人正在进行原地转向操作，才是为拐角断面。

在扫描拐角断面时，扫描点的空间直角坐标为，其中i的范围为1～1520，j的范围为1～n。

由于断面扫描不是连续进行，可能间隔很长，在对相邻断面进行扫描时，如果两个断面之间存在多个拐角较大的拐角断面，会对插值结果造成较大的误差，因此基于断面结构与转向角度约束的断面插值方法首先根据拐角断面将整个隧道或者巷道切割为几个部分，分别插值。在断面之间进行插值，使得整个断面模型更加真实；如果原有间隔断面直接连接起来形成巷道模型，则模型会显得生硬，不真实。

假设断面k，断面m为两个相邻的拐角断面，其中k<m，m-k＝r，r>0。则该断面范围内包括r+1个断面，分别为k,k+1,…,k+b,…,m-1,m，0≤b<r。

在断面k，断面m之间采用如下插值方法：

第一步，提取所有断面的第一个扫描点，即i＝1,j＝k,k+1,…,k+b,…,m-1,m，0<b<r。获得坐标点集合p，其中j＝k,k+1,…,k+b,…,m-1,m，0≤b<r。

第二步，将坐标点集合p中的x,y,z分别提取出来，得到集合x(x1j)，集合y(y1j)，集合z(z1j)，其中j＝k,k+1,…,k+b,…,m-1,m，0≤b<r。

第三步，分别对集合x，y，z的坐标值进行采用拉格朗日插值或者牛顿插值等插值方法，等到得到插值后的坐标集合x’，y’，z’。

第四步，将插值后的坐标集合x’，y’，z’分别对应提取出来，形成插值后的坐标点集合p’。

第五步，将点坐标集合p’坐标存储，重新进行上述步骤，对2～1520序号的点进行插值。

实例：7个断面的扫描模型图如图1，采用本申请的方法，集合中采用三次样条插值，得到如图2的点云模型，可以看到整个断面模型更加真实，更加平滑，实用性更强。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。