CN104849723B - 一种基于多元线阵激光雷达的模拟月表地形的识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多元线阵激光雷达的模拟月表地形的识别方法，用于识别地面模拟月球表面的月坑和月石，包括以下步骤：1)在地表构建模拟月表地形；2)获取模拟月球表面地形的原始点云数据；3)通过多元线阵激光雷达的地面检校参数，校正原始点云数据的系统误差，并通过多元线阵激光雷达外方位数据将校正后的原始点云数据变换为正视点云数据；4)采用最小二乘随机抽取一致性平面拟合法将正视点云数据进行平面拟合，获取平面的参数模型，建立拟合平面方程；5)计算正视点云数据与拟合平面的距离差值，根据设定的月石或月坑的阈值条件，识别出月石或月坑。与现有技术相比，本发明具有识别准确、快速、条件限制少、方法简单、模拟准确等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟月表地形的识别方法，尤其是涉及一种基于多元线阵激光雷达的模拟月表地形的识别方法。
背景技术
在探月工程中，月球地形环境中月石、月坑等对月球着陆器的安全软着陆有重要影响。月球与地球距离遥远，对着陆器进行遥控避障不现实。着陆器的动力能源非常的宝贵，要求着陆器具有在短时间内快速获取着陆区域地形，自动识别危险地形、地物，快速调整方位，从而选择最佳的安全着陆区域，即着陆器具有自主导航、危险检测与快速自动避障的能力。
多元线阵探测成像激光雷达是一种基于双振镜的多元并扫成像激光雷达，可以实现目标场景的较大覆盖和快速扫描。本方法中涉及的激光雷达在100m距离处激光光斑直径为10cm。激光器发射的脉冲激光经过光栅分束器分束成16束激光，采用多元阵列探测器并行接收，经处理后得到测距信息。光路前端采用双振镜实现二维视场扫描，获取光束的水平角和竖直角，在双振镜的快速摆扫配合下，多元线阵探测成像激光雷达最快能在0.25s时间内实现30°×30°全视场扫描，为快速获取目标场景三维数据提供了保障。
多元线阵探测成像激光雷达采用主动探测、多激光单元并扫的方式，能快速获取着陆区域高分辨率的三维数据，并且不受任何的光照条件影响。在地面模拟不同大小的月石、月坑及其组合成的地形特征，并且对模拟的月坑月石等危险物进行快速判别和提取，可为着陆器的快速避障和安全着陆，提供可靠的技术保障。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种识别准确、快速、条件限制少、方法简单、模拟准确的基于多元线阵激光雷达的模拟月表地形的识别方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于多元线阵激光雷达的模拟月表地形的识别方法，用于识别地面模拟月球表面的月坑和月石，包括以下步骤：
1)通过月表地形模拟单元在地表构建模拟月表地形；
2)通过多元线阵激光雷达高空扫描获取模拟月表地形的原始点云数据；
3)通过多元线阵激光雷达的地面检校参数，校正原始点云数据的系统误差，并通过多元线阵激光雷达外方位数据将校正后的原始点云数据变换为正视点云数据；
4)采用最小二乘随机抽取一致性平面拟合法将正视点云数据进行平面拟合，获取平面的参数模型，建立拟合平面方程；
5)计算正视点云数据与拟合平面的距离差值，根据设定的月石高度或月坑深度的阈值条件，识别出月石或月坑。
所述的步骤1)中的月表地形模拟单元包括月石模拟单元和月坑模拟单元。
所述的步骤3)中的多元线阵激光雷达外方位数据包括多元线阵激光雷达获取点云时的姿态和位置数据。
所述的步骤4)中最小二乘随机抽取一致性平面拟合法具体包括以下步骤：
41)在点云中任意选取3个点，并判断其是否共线，若是，则返回步骤41)，若否，则计算出其对应的平面ax+by+cz＝d；
42)计算点云中的点i到该平面的距离di，di＝|axi+byi+czi-d|；
43)选取阈值t，并统计点云中有效数据的个数M；
44)重复步骤41)-43)找出含有最多有效数据的个数M的平面；
45)采用最小二乘法对含有最多有效数据点的平面重新进行估计，获得拟合平面模型参数。
所述的步骤43)具体包括以下步骤：
选取阈值t，判断点i到该平面的距离di是否大于t，若是，则为无效数据，若否，则为有效数据，并计数。
所述的阈值t根据工程设计中对地形变化容差来设定，选取原则为：
大小适度，既不放弃应该选择的有效点，也不将异常点或误差点误判为有效点。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、识别准确、快速：本方法通过多元线阵激光雷达获取模拟月表地形的准确三维点云数据，并且通过最小二乘随机抽取一致性平面拟合法拟合出最符合要求的平面进行识别，识别结果准确，耗时短，精度高。
二、条件限制少：利用多元线阵激光雷达获取月表地形数据，不受光照条件限制，可以在任何时间完成危险月表地形的扫描和判别。
三、方法简单：最小二乘随机抽取一致性平面拟合法根据设定的阈值来进行平面拟合，所选的阈值t根据工程设计中对地形变化容差的设定，选取适合提取危险月石月坑月石的t值，不需要迭代设定t值，方便易行。
四、模拟准确：根据先验性的月表地形知识，建立出了详细的月表地形，为后续的扫描识别提供了准确的数据。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为三维激光雷达点云图。
图3为处理后的模拟月石月坑点云图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
如图1所示，一种基于多元线阵激光雷达的模拟月表地形的识别方法，用于识别地面模拟月球表面的月坑和月石，包括以下步骤：
1)通过月表地形模拟单元包括月石模拟单元和月坑模拟单元，并在地表构建模拟月表地形；
2)通过多元线阵激光雷达高空扫描获取模拟月球表面地形的原始点云数据；
3)通过多元线阵激光雷达的地面检校参数，校正原始点云数据的系统误差，并通过多元线阵激光雷达外方位数据将校正后的原始点云数据变换为正视点云数据，外方位数据包括多元线阵激光雷达获取点云时的姿态和位置数据；
4)采用最小二乘随机抽取一致性平面拟合法将正视点云数据进行平面拟合，获取平面的参数模型，建立拟合平面方程，具体包括以下步骤：
41)在点云中任意选取3个点，并判断其是否共线，若是，则返回步骤41)，若否，则计算出其对应的平面ax+by+cz＝d；
42)计算点云中的点i到该平面的距离di，di＝|axi+byi+czi-d|；
43)选取阈值t，判断点i到该平面的距离di是否大于t，若是，则为无效数据，若否，则为有效数据，并计数，统计点云中有效数据的个数M；
44)重复步骤41)-43)找出含有最多有效数据的个数M的平面；
45)采用最小二乘法对含有最多有效数据点的平面重新进行估计，获得拟合平面模型参数；
5)计算正视点云数据与拟合平面的距离差值，根据设定的月石或月坑的高度和深度阈值条件，识别出月石或月坑。
阈值t根据工程设计中对地形变化容差来设定，选取原则为：
大小适度，既不放弃应该选择的有效点，也不将异常点或误差点误判为有效点。
下面进行实验步骤：
验证试验使用的多元线阵探测三维激光雷达为16元扫描型激光雷达，水平和垂直角度采样率均为2mrad，在50～100m的范围内相邻扫描点的间隔可以达到10cm～20cm，实验仪器设计在距模拟月表约100m处观测。在试验场地内设计口径、深度不同的坑体和凸体，模拟月表中的月坑月石。
使用多元线阵探测三维激光雷达获取实验场内的原始三维点云数据，其，获取的点云数据如图2所示，由于激光雷达存在系统误差，且不同探测单元的测距系统误差不一致，使得获取的激光三维点云数据出现明显的条带状异常，同时由于仪器的二维摆镜存在水平测角系统偏差，使得点云中月石月坑形状有变形，无法辨识。
利用多元线阵探测三维激光雷达标定参数对原始点云进行校正，生成正视点云，然后使用最小二乘的随机抽取一致性拟合法，拟合平面方程，计算所有点云到平面的差值，结果如图3所示。根据安全软着陆对着陆区危险月石月坑尺寸和深度的限定，设定差值的阈值，可识别出危险月石月坑。
本发明中的一种基于多元线阵激光雷达的模拟月表地形的识别方法，使用多元线阵探测成像激光雷达，快速获取模拟月石月坑的三维点云数据，采用最小二乘的随机抽取一致性拟合法，建立着平面地形，设定危险月石月坑的高差阈值后，不需要对点云进行建模，快速判断危险月石月坑的位置，从而为着陆器的快速避障提供依据。
Claims (3)
1.一种基于多元线阵激光雷达的模拟月表地形的识别方法，用于识别地面模拟月球表面的月坑和月石，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过月表地形模拟单元在地表构建模拟月表地形；
2)通过多元线阵激光雷达高空扫描获取模拟月表地形的原始点云数据；
3)通过多元线阵激光雷达的地面检校参数，校正原始点云数据的系统误差，并通过多元线阵激光雷达外方位数据将校正后的原始点云数据变换为正视点云数据；
4)采用最小二乘随机抽取一致性平面拟合法将正视点云数据进行平面拟合，获取平面的参数模型，建立拟合平面方程，最小二乘随机抽取一致性平面拟合法具体包括以下步骤：
41)在点云中任意选取3个点，并判断其是否共线，若是，则返回步骤41)，若否，则计算出其对应的平面ax+by+cz＝d；
42)计算点云中的点i到该平面的距离di，di＝|axi+byi+czi-d|；
43)选取阈值t，并统计点云中有效数据的个数M，具体包括以下步骤：
选取阈值t，判断点i到该平面的距离di是否大于t，若是，则为无效数据，若否，则为有效数据，并计数，所述的阈值t根据工程设计中对地形变化容差来设定，，选取原则为：
大小适度，既不放弃应该选择的有效点，也不将异常点或误差点误判为有效点；
44)重复步骤41)-43)找出含有最多有效数据的个数M的平面；
45)采用最小二乘法对含有最多有效数据点的平面重新进行估计，获得拟合平面模型参数；
5)计算正视点云数据与拟合平面的距离差值，根据设定的月石高度或月坑深度的阈值条件，识别出月石或月坑。
2.根据权利要求1所述的一种基于多元线阵激光雷达的模拟月表地形的识别方法，其特征在于，所述的步骤1)中的月表地形模拟单元包括月石模拟单元和月坑模拟单元。
3.根据权利要求1所述的一种基于多元线阵激光雷达的模拟月表地形的识别方法，其特征在于，所述的步骤3)中的多元线阵激光雷达外方位数据包括多元线阵激光雷达获取点云时的姿态和位置数据。
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