基于3D-NDT的移动机器人定位算法研究

移动机器人定位是移动机器人自主导航的基本问题,在室外环境,GPS作为成熟方案被广泛使用,但在存在遮挡、有强电磁干扰等环境下,GPS定位的精度、稳定性及可靠性受到很大影响。本文详细阐述了三维激光点云3D-NDT匹配方法,在此基础上提出了融合里程计与3D-NDT点云匹配方法的移动机器人实时定位方法,解决了移动机器人在室外弱GPS环境下定位精度无法保证的问题。利用自主研发的移动机器人平台,在大范围室外环境中进行了测试,实验结果验证了本文所提算法的有效性。

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ISS-SHOT+3D-NDT的点云配准算法研究

针对以往点云数据在配准处理过程中,存在粗配准匹配率低、配准时间长、精配准精度不高等问题,提出了ISS-SHOT与3D-NDT相结合的点云配准算法。首先,运用内部形态描述子算法(ISS)对下采样后的点云数据提取特征点,对提取的特征点用方向直方图描述子(SHOT)进行描述,并利用相似度函数将对应的特征点进行匹配;再采用Lmeds算法删除匹配错误的特征点,并完成2片点云数据的粗配准,获得较好的初始配准位置与姿态;最后,采用3D-NDT算法将粗配准后的点云数据进行空间体素化处理,运用概率分布函数完成点云数据的精确配准。结果表明,与其他点云数据配准算法相比,ISS-SHOT+3D-NDT算法的均方根误差最小、配准精度最高,特征点匹配率较高且运行时间短。

基于ISS-3DSC的NDT三维点云配准算法研究

工件形貌的三维扫描需求在车间自动化装备中越来越多,其中点云配准作为三维数据处理的重要步骤。现有三维点云配准存在特征点对误配、配准时间长、配准精度差等问题,提出了一种基于内部形状描述子-三维形状上下文特征(ISS-3DSC)的NDT三维点云配准算法。首先通过内部形状描述子(ISS)算法提取三维点云关键点,提高配准效率;然后结合三维形状上下文特征(3DSC)进行关键点的特征描述,并根据特征点对中值距离法剔除错误点对,采用SVD分解计算初始变换矩阵;最后使用NDT算法完成精配准。测试实验结果表明:算法在鞋面、鞋底点云数据配准时的精度可达到0.025 cm,相比传统SAC-IA+NDT算法配准效率提升明显,具有一定的工程应用价值。

3D正态分布变换在多波束自动校准中的应用

多波束测深数据存在横摇误差、纵摇误差、艏摇误差等,需进行校准。当前主要采用商业软件Caris进行人工手动校准,自动校准主要采用迭代最邻近算法等。针对Caris需要人工干预以及ICP容易陷入局部循环的缺陷,采用3D正态分布变换的配准方式,通过建立联合概率密度函数,采用似然函数建立匹配点云与目标点云之间转换关系。利用Hessian矩阵和梯度向量求最优化转换参数,完成多波束条带的自动校准。本文结合Caris中的人工配准结果,通过对3D-NDT算法匹配效果进行对比分析,验证了文中算法在平坦地区、斜坡区域等多种地形中都取得了更优的匹配效果,为实现多波束自动校准提供了重要的算法依据。

基于重力约束正态分布变换的室内3维地图重建方法

提出一种基于改进正态分布变换的室内3维地图离线重建方法.通过加入重力方向约束来矫正地图形变,采用循环梯度配准方法提高配准成功率,并结合图优化的后端优化算法对所建地图进行优化.同时,采用摆动单线激光获取室内点云原始数据并进行实验,以验证所提方法的正确性.结果表明,利用该地图重建方法能够建立高精度的室内3维地图.

基于改进型3DSIFT正态分布变换算法的点云配准

针对点云配准中采用三维尺度不变特征转换（3DSIFT）算法（基于三维点云）计算效率低的问题，提出一种基于改进型3DSIFT的三维正态分布变换（3D．NDT）配准算法。该算法首先利用球形代替方形来构造sI雕特征点描述符，并将3DSIFT算法特征描述向量128维降低到了48雏；其次，对三维点云进行3DSIFT特征提取并估算特征描述符，使用双向快速近似最近邻搜索和随机采样一致性算法确定最终点云匹配点，求解出变换矩阵，完成初始配准；最后，使用NDT算法体素化点云，并使用概率分布函数对点云精确配准。实验结果表明，改进后的算法适用于由KineetV2．0获取的不同角度的点云数据配准，且其配准精度较高。

基于图优化的三维激光雷达SLAM算法研究

为了提高三维激光雷达SLAM算法的定位精度和解决其z轴偏移的问题,在图优化的基础上提出了一种增加边约束和地面约束来改善闭环检测的方法。首先,使用MLESAC算法对点云数据进行滤波,去除外点;其次,采用随机采样法对点云数据进行下采样,提高点云配准算法的速度和准确性;然后,基于3D-NDT配准算法得到点云变换关系;最后,在图优化的基础上将边约束和地面约束加入优化求解器,获得优化后的位姿和点云地图;使用Velodyne激光雷达扫描的地下车库数据进行评估,结果表明所提出的方法能够改善激光SLAM的回环检测,提高定位准确度,x、y和z方向精度分别可达0.0741、0.38895、0.0015 m,特别是z轴精度从1.68 m提升到了0.0015 m。

VGStudio MAX2.0软件在CT图像三维重建中的应用

为发展和应用工业CT测量技术,提高航空零部件无损检测质量,我们在现有工业CT机二维计算机层析的基础上,使用三维重建专业软件VGStudio MAX 2.0,对被检工件的系列二维CT图进行重建,得到三维数据模型。计算机重建的工件可以实现更高级的几何显示功能、结构复杂部位的尺寸测量以及缺陷的检测分析,让人们对产品的整体结构和质量有更为全面、深刻的了解。

基于三维正态分布变换的地面与SLAM点云配准

地下空间信息采集作为城市信息化、数字化建设的基础工作日趋重要,但单一平台传感器难以获取全要素位置信息,为此,本文将地面与移动激光扫描系统应用于地下空间测量领域。首先,针对场景特征相似、SLAM激光点云定位精度较差的问题,将其按照采集时间进行分段;其次,以初始点云块为基准,利用改进的三维正态分布变换(3D-NDT)算法实现局部点云块间的精确配准;然后,针对多平台点云的空间基准、观测视角等差异,通过构建距离和角度为约束条件的仿射不变量实现多平台点云的初步对齐,为其精配准提供良好的初始位置,并利用NDT算法实现多平台点云基准统一;最后,应用于地下管廊和矿山数据采集。结果表明,该方法对初始位置相差较大、特征较少的激光点云有良好的适用性,能够获取地下空间完整的位置信息。

旋转台多视场扫描点云的自动配准方法

三维扫描需要将不同视角下获取的点云数据进行配准,并统一到全局坐标系。针对旋转台扫描得到的点云数据提出了一种自动配准方法,其基本思路是先用NDT算法作粗配准,将待配准的两片点云旋转平移到较好的初始位置,接着用ICP算法作精配准。经实验证明:该方法配准速度快、精度高。

低成本单线激光雷达的曲面重建方法研究

目前已有的多线激光雷达造价昂贵,对空间场景的三维重建时存在扫描盲区,无法以全周方式完成对空间环境的三维重建。针对这些问题,设计一种单线激光雷达与步进电机相结合的点云扫描系统,配以3D-NDT配准算法完成复杂场景的三维重建。该设计扫描范围大于16线激光雷达,而且可以仅对特定区域进行扫描,提高了空间扫描频率。采用一种配准评价算法对ICP与3D-NDT配准算法进行配准精度的评价,分析得出使用空间坐标算法得到数据类型更适用于3D-NDT算法。最后使用Delaunay三角剖分方法,对实验场景中的部分曲面进行重建,点云密度变化均匀的位置重建效果较好。

基于激光雷达构建室外三维点云地图的研究

激光雷达作为无人驾驶技术中定位建图功能里最常用的传感器,具有精度高、受环境影响小的特点,适合于室外环境下构建三维点云地图。本文基于多线激光雷达,结合NDT算法,设计和实现了室外封闭区域的三维点云地图的构建。

基于Harris特征与NDT-ICP算法的钢箱拱预制件尺寸智检方法

针对桥梁建造时传统人工尺寸检测在面对海量桥梁预制件时效率低、成本高的难题,使采用地面激光扫描(TLS)技术的智能尺寸检测突破现有数据处理算法的精度与效率瓶颈,建立了基于建筑信息模型(BIM)-TLS的桥梁钢预制件尺寸智检框架,包含构件几何尺寸检测与数字预拼装2个环节;二次开发了BIM点云化处理技术,构建了参照点云模型,采用直通滤波、统计去噪(SOR)滤波、体素化网格(VG)处理等算法预处理点云数据,实现了基于k近邻(kNN)算法的尺寸检测指标评价;通过3D-Harris特征点检测、正态分布变换(NDT)粗配准与迭代最近点(ICP)精配准提出了基于Harris特征与NDT-ICP算法的快速配准尺寸智检策略,并结合工程需求应用于某大跨拱梁组合结构钢箱拱预制件尺寸智检中。研究结果表明:采用提出的智检方法对2个相邻节段钢箱拱进行尺寸检测的最大偏差分别为1.689和1.571 mm,均满足制造偏差(小于2 mm)要求;与传统NDT-ICP算法相比,该方法将点云整体配准精度提高了35.3%,效率提高了61.88%,可见该方法表现高效且结果准确,促进了钢预制件几何尺寸检测智能化;基于该方法的拱肋数字预拼装监测点最大检测拼装偏差为1.953 3 mm,符合拼装偏差(小于2 mm)要求,实现了精准偏差检测,为后续桥位顺利架设提供了良好保障,且为相似结构的尺寸检测提供了参考。

一种基于三维建图和虚拟现实的人机交互系统

以提高人机共融水平为目的,以救援机器人为背景,提出并实现基于三维建图和虚拟现实(VR)技术的人机交互系统.在该系统中,救援机器人基于多线激光雷达和惯性测量单元(IMU)实时构建环境的三维点云地图,并将建图结果增量式地表示为3D-NDT地图,实时传输至操作台的虚拟现实系统中可视化;同时,操作人员利用虚拟现实系统的交互设备生成机器人的控制指令,控制机器人运动,构成一个完整的人在回路的人机交互系统.该系统在将机器人环境实时在虚拟现实中可视化的基础上,可以给操作人员以极强的沉浸感,有利于操作人员更直接地理解机器人所处环境.此外,该系统作为一种新的人机交互方式,为提高人与机器人的自然交互水平提供了新思路,对促进人机交互技术的发展具有重要意义.