一種基于激光傳感器的直線特征提取方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種激光圖像直線特征提取方法。在分割與合并方法的基礎(chǔ)上，通過自適應(yīng)鄰近點(diǎn)集檢測(cè)提高方法效率，利用模糊分割與合并方法進(jìn)行線段分割改善方法對(duì)參數(shù)的敏感程度，最后利用最小二乘方法擬合出環(huán)境中各直線段極坐標(biāo)系下的參數(shù)，方法包括：鄰近點(diǎn)集檢測(cè)、線段分割、最小二乘直線擬合、計(jì)算直線擬合誤差四大步驟。方法實(shí)施結(jié)果表明當(dāng)直線段所包含的點(diǎn)較多時(shí)，結(jié)果很準(zhǔn)確，絕大多數(shù)直線誤差都很小，極徑誤差都小于1mm，角度誤差小于0.01rad，擬合效果較好。本發(fā)明同現(xiàn)有傳統(tǒng)直線提取方法相比的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)方法的迭代次數(shù)減少，提高了方法效率；(2)方法的魯棒性有很大提高；(3)線段提取的精度也明顯提高。
【專利說明】一種基于激光傳感器的直線特征提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于人工智能【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種激光圖像直線特征提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)也取得了巨大成就，并廣泛地應(yīng)用于家庭服務(wù)、太空探索、深海打撈、礦產(chǎn)勘探、安防醫(yī)療、軍事偵察等領(lǐng)域。在機(jī)器人相關(guān)技術(shù)研究中，機(jī)器人同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建(Simultaneous Localization andMapping)問題，簡稱SLAM問題，是機(jī)器人技術(shù)的關(guān)鍵問題之一，甚至被譽(yù)為移動(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域的“圣杯”。而直線是機(jī)器人SLAM問題中最常用的特征描述之一，因?yàn)檫x擇它作為機(jī)器人定位的環(huán)境特征擁有許多優(yōu)點(diǎn)，如:直線在室內(nèi)環(huán)境中存在的比較多；從激光測(cè)試系統(tǒng)LMS(Laser Measurement Systems)激光雷達(dá)檢測(cè)到的原始點(diǎn)中提取直線較容易,直線特征在地圖中存儲(chǔ)也容易；在平面坐標(biāo)系中只用兩條不平行直線就可以完成對(duì)機(jī)器人定位。
[0003]目前關(guān)于直線提取的方法也比較多，其中分割與合并(Split-and-Merge)方法是綜合性能是最好的。因此得到了廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的分割與合并方法存在對(duì)直線參數(shù)的魯棒性較差，效率較低的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問題:為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光傳感器的自適應(yīng)的直線提取方法，以提高直線提取的效率和魯棒性。
[0005]現(xiàn)將本發(fā)明技術(shù)解決方案敘述如下:
[0006]本發(fā)明一種基于激光傳感器的直線特征提取方法在分割與合并方法的基礎(chǔ)上，通過自適應(yīng)鄰近點(diǎn)集檢測(cè)提高方法效率，利用模糊分割與合并SMF (split-and-merge fuzzy)方法進(jìn)行線段分割改善方法對(duì)參數(shù)的敏感程度，最后利用最小二乘方法擬合出環(huán)境中各直線段極坐標(biāo)系下的參數(shù)，包括以下步驟(參見圖2):
[0007]步驟1:鄰近點(diǎn)集檢測(cè)；
[0008]步驟2:線段分割；
[0009]步驟3:最小二乘直線擬合；
[0010]步驟4:計(jì)算直線擬合誤差。
[0011]本發(fā)明進(jìn)一步提供一種基于激光傳感器的直線特征提取方法，其特征在于:設(shè)激光雷達(dá)每次掃描的結(jié)果是以角度△ Φ為間隔的角度Φ和距離P的離散點(diǎn)；步驟I中所述的鄰近點(diǎn)集檢測(cè)的具體過程為:
[0012]步驟1.1:設(shè)連續(xù)激光傳感器探測(cè)到連續(xù)兩點(diǎn)為Slrl和sk，其中Slri離激光傳感器的距離為P H，Δ I為其兩點(diǎn)的距離；
[0013]步驟1.2:實(shí)驗(yàn)取常數(shù)m' =5，Δ1' =V p Λ φ，如果Λ I≤Λ 1'則為鄰近點(diǎn)集，反之則不是。
[0014]本發(fā)明進(jìn)一步提供一種基于激光傳感器的直線特征提取方法，其特征在于:步驟2中所述的線段分割的具體過程如下(參見圖3):
[0015]步驟2.1:設(shè)每一個(gè)鄰近點(diǎn)集合gamma只含有一條直線:包含傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)ζ中所有點(diǎn)，初始直線個(gè)數(shù)nol=1;設(shè)定產(chǎn)生的迭代代數(shù)m = 1 ；
[0016]步驟2.2:更新第m代直線個(gè)數(shù)；
[0017]步驟2.3:檢驗(yàn)每條直線lk,...n(m-1)l，在鄰近點(diǎn)集合gamma是否滿足直線參數(shù)的方差Ok≤ σ _，如果不滿足則:
[0018]步驟2.3.1:利用模糊直線分割方法將Ik中的點(diǎn)變成兩條直線1' k和1" k，同時(shí)令C = 2 ;
[0019]步驟2.3.2:用I' k和I" k替換lk，添加到gamma ;
[0020]步驟2.3.3 =N: +U
[0021]步驟2.3.4:轉(zhuǎn)到步驟2.2 ;
[0022]步驟2.4:選擇直線
[0023]步驟2.4.1:對(duì)于gamma中每兩條相異的直線Ia和Ib都被作為合并的候選情況；
[0024]步驟2.4.2:判斷兩條直線的坐標(biāo)重心是否很接近:接近則轉(zhuǎn)步驟2.4.3，不接近則轉(zhuǎn)
[0025]步驟2.4.3:用1 = 1' ~1"表示由gamma和1"合并的直線，合并后的直線If是VljDl1Tlb離差最小的，同時(shí)必須滿足σf≤σmax，直到無法再合并為止；其中，唯一的極限參數(shù)Qmax由激光傳感器的統(tǒng)計(jì)誤差給出。
[0026]本發(fā)明進(jìn)一步提供一種基于激光傳感器的直線特征提取方法，其特征在于:步驟3中所述的最小二乘直線擬合的具體過程如下(參見圖4):
[0027]步驟3.1:對(duì)于每個(gè)線段點(diǎn)集{P i； Φi}, i = 1,2,3...N,其中(r, α )表示直線的極坐標(biāo)參數(shù)，公式為:[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光傳感器的直線特征提取方法，其特征在于:在分割與合并方法的基礎(chǔ)上，通過自適應(yīng)鄰近點(diǎn)集檢測(cè)提高方法效率，利用模糊分割與合并方法進(jìn)行線段分割改善方法對(duì)參數(shù)的敏感程度，最后利用最小二乘方法擬合出環(huán)境中各直線段極坐標(biāo)系下的參數(shù)，包括以下步驟: 步驟1:鄰近點(diǎn)集檢測(cè)； 步驟2:線段分割； 步驟3:最小二乘直線擬合； 步驟4:計(jì)算直線擬合誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光傳感器的直線特征提取方法，其特征在于:步驟I中所述的鄰近點(diǎn)集檢測(cè)的具體過程為: 步驟1.1:設(shè)連續(xù)激光傳感器探測(cè)到連續(xù)兩點(diǎn)為Slri和sk，其中Slri離激光傳感器的距離為P H，Δ I為其兩點(diǎn)的距離； 步驟1.2:設(shè)激光雷達(dá)每次掃描的結(jié)果是以角度Λ φ為間隔的角度Φ和距離P的離散點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)取常數(shù)m' =5, ΔI' = m/ p Δ φ，如果Δ I≤Δ I'則為鄰近點(diǎn)集,反之則不是。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光傳感器的直線特征提取方法，其特征在于:步驟2中所述的線段分割的具體過程如下: 步驟2.1:設(shè)每一個(gè)鄰近點(diǎn)集合I'只含有一條直線:包含傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)ζ中所有點(diǎn)，初始直線個(gè)數(shù)JVf=I;設(shè)定產(chǎn)生的迭代代數(shù)m = I ； 步驟2.2:更新第m代直線個(gè)數(shù)= N^i; 步驟2.3:檢驗(yàn)每條直線lkj-1,...，#^^，在鄰近點(diǎn)集合I'是否滿足直線參數(shù)的方差O, ≤ O ；k 、.max 9 步驟2.4:選擇直線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于激光傳感器的直線特征提取方法，其特征在于:步驟步驟2.3中所述的“檢驗(yàn)每條直線lk，A = 1，...，JVf4，在鄰近點(diǎn)集合I'是否滿足直線參數(shù)的方差_，如果不滿足則按以下步驟進(jìn)行: 步驟2.3.1:利用模糊直線分割方法將Ik中的點(diǎn)變成兩條直線I'k和I" k，同時(shí)令C=2 ； 步驟2.3.2:用k和I" k替換lk，添加到I' ；
步驟 2.3.3:Ν^ =Ν^+1., 步驟2.3.4:轉(zhuǎn)到步驟2.2。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于激光傳感器的直線特征提取方法，其特征在于:步驟2.4中所述的“選擇直線”的具體過程如下: 步驟2.4.1:對(duì)于I'中每兩條相異的直線Ia和Ib都被作為合并的候選情況； 步驟2.4.2:判斷兩條直線的坐標(biāo)重心是否很接近:接近則轉(zhuǎn)步驟2.4.3，不接近則轉(zhuǎn)步驟2.4.3:用1 = 1' ~1"表示由I'和I"合并的直線，合并后的直線込是^込和lk~lb離差最小的，同時(shí)必須滿足σ_，直到無法再合并為止；其中，唯一的極限參數(shù)σ_由激光傳感器的統(tǒng)計(jì)誤差給出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光傳感器的直線特征提取方法，其特征在于:步驟3中所述的最小二乘直線擬合的具體過程如下: 步驟3.1:對(duì)于每個(gè)線段點(diǎn)集{P i; Φ] , i = 1,2,3...N,其中(r, α )表示直線的極坐標(biāo)參數(shù)，公式為:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光傳感器的直線特征提取方法，其特征在于:步驟4中所述的計(jì)算直線擬合誤差的具體過程如下: 步驟4.1:設(shè)直線參數(shù)誤差協(xié)方差矩陣為:
【文檔編號(hào)】G01S7/493GK103777192SQ201210000399
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月24日
【發(fā)明者】張國良, 敬斌, 徐君, 王俊龍, 曾靜, 孫一杰, 安雷, 陳勵(lì)華 申請(qǐng)人:中國人民解放軍第二炮兵工程學(xué)院