基于Java 3D的地球空间环境可视化研究

根据空间科学研究对交互性和Web化的发展需求,将Java 3D应用于该领域。深入剖析了Java 3D的主要几何类和实现细节;改进并实现了一种矩形网格等值线生成算法,解决了二义性和等值点在网格顶点的问题;介绍了一种生成规则网格的简单算法,并选用合适的Java 3D类加以实现;介绍了一种数值———颜色映射算法,并将空间环境数据映射为RGB颜色信息。综合运用这些算法,对地球空间环境中若干物理要素模型进行了二维和三维可视化。可视化结果与国内外空间环境模型研究成果基本一致,说明上述算法正确,有较高的参考价值。

面向室内移动机器人的改进3D-NDT点云配准算法

点云配准是室内移动机器人位姿估计和环境构建的关键步骤,现有点云配准算法难以工作在低纹理场景中。为提高室内移动机器人环境适应能力,提出了一种改进三维正态分布变换(3D-NDT)点云配准算法。通过改进ORB特征提取算法,确保低纹理下的特征点提取;此外,为提高点云配准精度和效率,提出改进的3D-NDT算法快速获取高精度的点云配准矩阵。采用国际知名的公共数据集TUM作为评测数据,实验结果表明本文算法达到或优于现有主流点云配准算法的性能(均方根误差低于0.02 m),相对传统3D-NDT算法配准时间缩短3倍以上;并且能工作在低纹理场景中。因此,改进的算法能提高室内移动机器人环境适应能力。

基于轮式机器人的实时3D栅格地图构建

移动机器人在各种任务中需要进行建图、定位和路径规划,但是目前的视觉SLAM只能输出相机的运动轨迹图,而不能生成用于路径规划和导航的地图。因此,在ORB_SLAM2的基础上,与RGB-D相机相结合,提出了一种实时3D栅格地图构建算法。建立了一个逆传感器模型(Inverse Sensor Model,ISM);针对ISM模型,重新构建了3D栅格地图的算法;联合ORB_SLAM2进行数据集实验、仿真环境实验和实时构建实验。经实验验证,该算法能够利用ORB_SLAM2实时构建出具有尺度的3D栅格地图,且能够清晰地显示障碍物位置,验证了该算法的有效性。

使用三维栅格地图的移动机器人路径规划

针对移动机器人使用三维地图进行路径规划的问题,研究了使用三维栅格地图的路径规划算法。该算法将装载三维激光扫描仪的移动机器人得到的三维点云转换成为八叉树结构的三维栅格地图;扩展了D*算法使之考虑机器人的尺寸,检测每种位姿状态下是否与环境发生碰撞,生成多条可行路径可以在栅格地图中直接生成机器人的运动轨迹,保证运动过程中机器人自身及物体的安全。实验结果表明:该算法不需要对地图具有先验认识,并且考虑了机器人的实际尺寸,具有较强的可靠性和实用性,已经在真实环境中进行了实验。

基于三维激光雷达的动态障碍实时检测与跟踪

为了解决在大数据量的情况下实现高效检测与跟踪的难点,提出一种室外动态未知环境下自主车的多障碍实时检测与跟踪的算法.由于Velodyne 64线三维激光雷达具有数据量大、精度高等特点,采用其与相机结合感知环境.算法结合从图像处理中得到的道边信息将原始激光雷达数据的感兴趣区域转化为栅格地图,在地图上采用区域标记和模板匹配的方法进行聚类和特征提取,检测得到盒子模型的障碍物,并进行障碍物跟踪.为了避免在多障碍物的情况下出现虚警和漏检,基于多假设跟踪数据关联和卡尔曼滤波来跟踪连续多帧的障碍物.本算法在自主车平台上能够以每帧100ms实现准确、稳定地检测和跟踪.

嵌入式三维电子地图空间数据索引研究

研究各种索引结构,如B树、四叉树、八叉树、网格、R树等,在此基础上提出一种网格索引和R树索引结合的索引方式。它适合作为嵌入式环境下的三维电子地图的外存索引。它比单纯的网格索引减少了数据冗余;比单纯的R树索引减少了区域重叠情况,降低了R树的高度,减少了检索的时间。并且其有效性在Android系统中得到了验证。

针对复杂环境的模块化栅格地图构建算法

针对煤矿灾害救灾与信息探测机器人的自主导航问题,提出了一种用模块化的局部栅格地图表示复杂三维环境的地图构建算法。该算法使用TOF相机对三维环境信息进行获取,形成三维点云坐标矩阵。通过对坐标阵中每个点进行计算,判断坐标点在局部栅格地图中的位置,创建新的局部栅格地图,并对栅格单元占据概率进行实时更新,创建完整的全局环境栅格地图。根据栅格单元中坐标点的密度,对障碍物进行类型划分,确定通行区域与不可通行区域,简化路径规划的算法。实验结果和数据分析证明了本文地图构建方法的有效性和实用性。

采用延伸顶点的地面点云实时提取算法

针对室外环境下无人驾驶车辆的地面提取实时性差的问题,提出了一种利用三维激光雷达快速提取地面的方法。首先利用车载IMU和里程计对雷达点云进行校正,然后构建柱状极坐标网格地图,根据网格中点云分布的垂直连续性提取每个网格中的延伸顶点,根据延伸顶点的高度属性以及地面平滑一致性准则提取出所有的地面点。试验中使用Velodyne HDL-32E采集不同场景下的数据作为测试集,结果表明,该方法同现有的地面分割算法相比能够降低车辆自身运动造成的提取误差,避免出现过分割和欠分割,分割准确率约为98.2%,每帧处理时间能够稳定控制在33 ms左右。

基于中国地质调查信息网格的“立体一张图”服务构建与应用

目前,中国地质调查信息网格通过"地质矿产一张图"实现了地表范围内地质空间信息的高度集成与共享,但是地下三维地质空间信息的集成共享状况对现有的数据发布机制、服务效率与共享能力提出了更高的要求。本文基于中国地质调查信息网格,在构建"地质矿产立体一张图"服务框架的基础上,从三维空间数据的组织管理着手,重点研究了多结点下的数据发布与发现机制、三维可视化与场景服务、多样化用户界面表达方式,实现了网格环境下三维地质空间信息的实时快速绘制和高效交互处理;并针对矿体三维模型和地质三维模型等,提供了信息集成与应用服务,取得了良好效果。

3维激光扫描技术在石窟保护中的应用研究

高精度3维激光扫描技术的出现,为建立一套覆盖完整、细节清晰、视觉效果突出、数据真实准确的数字石窟提供了可能。云冈石窟3维数字化工作就是将3维激光扫描技术应用到石窟的制作,利用激光测距原理,以最精细、最合理的技术手段记录石窟的密集点的3维坐标、反射率和纹理等信息,完整保留全面、准确、细致的3维数据,进而复建出石窟的3维模型及线、面、体等各种数据,将云冈石窟清晰地展现出来。

多波束海底地形图的制作方法探讨

提出了采用高斯距离函数加权平均算法,对离散多波束数据进行网格化,该算法的优点是权函数收敛较快,能较好地保留细小的地形特征,而且运算速度较快。对于图形制作方面,提出了2D等深线图叠加3D阴影图模式的海底地形图的绘制思路及实现方法,最终成果图立体感强,可以更好地表现出地形细节。最后就如何改进海底地形图的配色方案进行了探讨。

一种用于导航的2.5维地图的构建

为了使仿人机器人能够在真实世界中自由行走,包括上下楼梯、跨过障碍物,本文提出了一种构建机器人环境的2.5维网格地图的方法。首先利用传感器数据建立并更新一个3D占有率网格和一个平地网格,3D占有率网格为最终的地图提供概率支持,以保证环境模型对传感器噪声的鲁棒性,平地网格用来存储平面高度值。然后结合两个网格建立导航地图,该地图上每一个单元格被标记为平地或障碍物类型以及它的高度值,平地的高度信息是精确的而障碍物的高度信息是粗略的。最后在仿真平台上验证了所提出的方法,仿真结果证实此方法能够有效地产生用于机器人避障和路径规划的地图。

Voxler及Surfer在乐滩水库引水灌区EH4资料处理中的应用

介绍了Voxler和Surfer两种视图软件在乐滩水库引水灌区加旦~良马隧洞2#段高频大地电磁法(EH4)规则测网探测试验中的应用情况,通过三维视图软件Voxler处理EH4资料得到卡尼亚视电阻率三维空间分布图,结合常规视图软件Surfer处理EH4资料得到的卡尼亚视电阻率二维组合断面图,能更直观地显示EH4的探测成果,能更有效提取原始资料中的三维信息,为EH4成果提供更多的解释依据。

越野环境下无人履带平台的道路可通行性分析

针对越野环境下道路特征模糊、地形复杂的问题,基于相机与激光雷达融合感知的方案,提出一种针对无人履带平台道路可通行性分析方法。基于图像语义分割获取语义点云,进行可通行区域的粗提取;利用三维点云描述地面几何特征,同时考虑履带平台的通过性约束,对道路的可通行性进行分析;生成包含道路表面属性和地面几何信息的三维可通行性栅格地图。所提方法对于平台可通行性的定义反映了平台-环境的强耦合关系。试验结果表明,算法能够在线稳定地建立可通行性地图,对平台规划控制具有良好的引导作用,有利于无人履带平台在复杂越野环境下的稳定通行。

实时更新的全局一致三维栅格建图

在未知的三维环境中,移动机器人自主导航通常需要实时构建与环境全局一致的栅格地图,而现有大部分系统缺少地图更新策略,构建的栅格地图与实际环境不一致.文中将同步定位与建图模块获得的环境信息以点云形式提供给栅格建图模块处理,同时提出基于关键帧的高效数据结构和地图实时更新策略,实时构建可用于移动机器人自主导航的全局一致的地图.室内动态的实验数据测试表明,文中方法可以有效实时更新地图,生成与环境一致的三维栅格地图,支持其后续的自主导航操作.

预建高精度地图的封闭区域UGV自动驾驶导航定位

针对封闭区域UGV自动驾驶应用,本文提出了一种基于平面高精度地图的导航定位方法。该方法利用三维激光扫描数据采用预定义的栅格地图概率值建立多分辨率地图,在保证定位精度的同时提高定位效率,采用极大似然估计获取载体位姿初值并将IMU数据用于计算高斯-牛顿法搜索初值。试验结果表明,基于激光扫描的二维地图构建与匹配定位方法能有效解决帧与帧匹配误差快速累积问题,可以高效地使用已有地图进行连续高精度的载体定位。

移动机器人同时定位与建图室内导航地图研究

针对当前视觉同时定位与建图(simultaneous localization and mapping,SLAM)生成的点云地图不能满足路径规划和导航的需要,提出一种室内移动机器人的导航地图制备方法。首先,通过SLAM估计相机位姿,后端优化后生成室内场景的三维点云地图;其次,根据地面移动机器人的运动约束及结构特点分情况讨论,推导点云相对于地面的二维坐标,同时对点云进行地面与障碍的分离、截取与筛选;最后,根据栅格占据状况有序构建出导航地图。实验结果表明,基于点云坐标的障碍物截取准确度高于地面拟合截取方法,所建地图精度与完整度均高于传统方法。室内移动机器人能基于该地图进行路径规划与导航。

基于多线激光雷达的非结构化道路感知技术研究

为解决无人平台在越野条件下能够感知识别非结构化道路的问题,采用基于多线激光雷达的测距传感器检测技术,通过对激光点云数据做栅格化处理,并进行距地高度、高度差和梯度差等特征统计及聚类分析、目标跟踪,实现了对道路可通行区域、障碍物、坡道和动态车辆等的检测.结果表明,相比于相机,采用基于多线激光雷达的三维测距传感器检测技术,可以更直接地获取障碍物分布的位置信息,能够为无人平台的自主导航提供局部栅格地图.

基于ORB-SLAM2的三维占据网格地图的实时构建

针对ORB-SLAM2系统只能输出相机的运动轨迹图,而不能生成用于路径规划和导航地图的问题,提出了一种基于ORB-SLAM2的跳表地图(SkipList Map)构建算法,可用于三维占据网格地图实时构建。首先搭建了一个用于三维占据网格地图实时构建的SkipList Map模型,其时间复杂度仅为O(lg n);其次对SkipList Map三维占据网格地图的生成与更新做了详细推导;最后设计了ORB-SLAM2与SkipList Map算法相结合的方案。通过效率对比实验,表明本文算法具有较高的时间效率与灵活性;搭建实验所需平台并进行了真实场景实时实验,实验表明本文算法能实现三维网格地图的实时构建;且能清晰标识出环境中障碍物的位置,验证了本文算法的有效性。

一种基于VSLAM的室内导航地图制备方法

针对室内复杂环境下导航地图制备问题,提出一种采用图像传感器进行导航地图制备的方法。首先,基于VSLAM技术估计相机位姿,经后端优化后生成环境三维点云;其次,筛选出地面点云,基于随机采样一致性算法得到精确的地面平面方程;最后,投影机器人通行环境区域的点云至二维栅格地图,通过利用贝叶斯方法更新栅格占用状态后,实现室内导航地图的制备。实验结果表明,基于VSLAM制备的室内导航地图精度满足导航要求,且不同于传统激光地图构建方法,地图中包含环境的三维结构信息,在进行路径规划实验中,避免了规划的路径穿过低矮物体及悬空物体的错误。