CN113376618B - 一种多路侧激光雷达点云配准装置及使用方法 - Google Patents

一种多路侧激光雷达点云配准装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多路侧激光雷达点云配准装置及点云配准方法，该装置通过机械臂由远程遥控操纵，机械臂可全角度，全方位的对目标物进行扫描，无需人为手动调整激光雷达位置，完整记录采集数据；本发明提供的点云配准方法能实现无任何先验信息和部分点缺失点集的自动配准，在配准效率和精度上都具有实用性和可行性。

Description

一种多路侧激光雷达点云配准装置及使用方法
技术领域
本发明属于三维激光扫描，点云配准技术领域的应用，具体涉及一种多路侧激光雷达点云配准装置及使用方法。
背景技术
点云数据配准技术在无损检测、人脸识别和三维重建等行业得到广泛的应用，特别是在三维激光扫描技术应用中，点云数据的配准是其重要步骤；目前的三维激光扫描设备和三维激光扫描技术只能采集目标物体表面离散的点云数据，在实际数据采集过程中通常会受到目标对象所处位置、大小和扫描仪器等外在因素的影响，为了获得目标物体完整的点云数据，必须从多个视角对目标进行测量，但这些视角下的数据通常是以测站为原点计算的结果，因此需要确定一个恰当的旋转矩阵和平移向量，以便将多个视角采集到的数据统一转换到同一个坐标系中，这便是点云数据的配准；
但是目前使用的激光扫描装置无法自动实现多角度的对目标物进行扫描，需要人为的调整激光扫描装置位置，在人为调整过程中会导致最终采集的数据不完整。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明设计了一种多路侧激光雷达点云配准装置，该多路侧三维激光扫描装置通过远程遥控操纵，可以多方位多角度的对目标物进行扫描，实现目标物的多点数据采集，保证数据的完整性；
为了达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：一种多路侧激光雷达点云配准装置，其特征在于，包括：底座、工作台、转盘、副工作台、伸缩柱、第一支臂、第二支臂、第一伸缩杆、第二伸缩杆、第三伸缩杆、第四伸缩杆、激光雷达；
所述底座上表面一体成型连接工作台，工作台上可转动连接着转盘，转盘上固定安装副工作台；副工作台上固定连接伸缩柱，在伸缩柱的上端铰连接第一支臂的后端，第一支臂的前端铰连接第二支臂的后端，第二支臂的前端铰连接着激光雷达；所述底座内部安装自动控制部，自动控制部包括红外接收器、继电器、红外信号处理模块；所述激光雷达内部安装探测组件，探测组件包括发射模块、接收模块、信息处理模块；
优选的，所述底座上安装控制按钮；工作台内中部嵌入安装一台转动电机，转盘下底面嵌入安装在转动电机的转动轴上；转盘与工作台通过转动电机实现可转动连接；
优选的，所述第一支臂与副工作台之间铰连接第一伸缩杆；第一支臂与第二支臂之间铰连接第二伸缩杆；
优选的，所述激光雷达与第二支臂的前端通过第四伸缩杆铰连接；
优选的，所述第四伸缩杆上连接附杆，附杆与第二支臂之间连接第三伸缩杆；且第三伸缩杆的头端与附杆铰连接；
优选的，所述红外接收器与红外信号处理模块连接，红外信号处理模块与继电器连接，继电器有五台，分别控制各伸缩杆；
本发明的另一目的在于提供一种多路侧激光雷达点云配准装置的点云配准方法，主要分为两大部分，分别为点云初始配准和ICP算法的点云精确配准，所述多路侧激光雷达点云配准装置的点云配准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将点云到其重心的距离进行升序排序，分别计算排序后最近和最远m个点的均值，作为距离其重心最近和最远的两个极点；
S2：构建以重心为起点，指向其两个极点的向量作为第一和第二特征向量，第一和第二特征向量的和向量的共线负向量作为第三特征向量；
S3：根据矩阵正交和旋转不改变其特征值，利用步骤S2构建的特征向量集计算旋转矩阵R0和平移向量t0；
S4：利用R0和t0对待配准点云进行转换，至此已完成点云的粗配准；
S5：精配准中，选择点对时，计算距离最近的4个点，通过z-score剔除距离异常点，剩余点的均值形成最近点，完成点对的构建；
S6：对初步构建完的点对，通过刚性变化欧式距离和向量夹角的不变性，更新点对；
S7：通过SVD法求解点对的旋转矩阵Rk+1和平移向量tk+1，设定迭代误差
S8：利用旋转矩阵Rk+1和平移向量tk+1对待配准点云进行转换，得到
S9：判断两次迭代误差与给定阈值ε的大小，若dk-dk+1＜ε或迭代次数大于给定值，迭代完成否则继续进行上述迭代。
本发明的有益效果是：本发明设计的一种多路侧激光雷达点云配准装置，该装置通过机械臂由远程遥控操纵，机械臂可全角度，全方位的对目标物进行扫描，无需人为手动调整激光雷达位置，完整记录采集数据；本发明提供的点云配准方法能实现无任何先验信息和部分点缺失点集的自动配准，在配准效率和精度上都具有实用性和可行性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种多路侧激光雷达点云配准装置的整体结构示意图；
图2是一种多路侧激光雷达点云配准装置的底座及内部元器件结构示意图；
图3是一种多路侧激光雷达点云配准装置的激光雷达及内部元器件结构示意图；
图4是一种多路侧激光雷达点云配准装置的局部放大示意图A；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-底座，101-红外接收器，102-继电器，103-红外信号处理模块，2-工作台，201-转动电机，3-转盘，4-副工作台，5-伸缩柱，6-第一支臂，7-第二支臂，8-第一伸缩杆，9-第二伸缩杆，10-第三伸缩杆，11-第四伸缩杆，1101-附杆，12-激光雷达，1201-发射模块，1202-接收模块，1203-信息处理模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参阅图1至图4所示，一种多路侧激光雷达点云配准装置，其特征在于，包括：底座1、工作台2、转盘3、副工作台4、伸缩柱5、第一支臂6、第二支臂7、第一伸缩杆8、第二伸缩杆9、第三伸缩杆10、第四伸缩杆11、激光雷达12；
所述底座1上表面一体成型连接工作台2，工作台2上可转动连接着转盘3，转盘3上固定安装副工作台4；副工作台4上固定连接伸缩柱5，在伸缩柱5的上端铰连接第一支臂6的后端，第一支臂6的前端铰连接第二支臂7的后端，第二支臂7的前端铰连接着激光雷达12；所述底座1内部安装自动控制部，自动控制部包括红外接收器101、继电器102、红外信号处理模块103；所述激光雷达12内部安装探测组件，探测组件包括发射模块1201、接收模块1202、信息处理模块1203；
优选的，所述底座1上安装控制按钮；工作台2内中部嵌入安装一台转动电机201，转盘3下底面嵌入安装在转动电机201的转动轴上；转盘3与工作台2通过转动电机201实现可转动连接；
优选的，所述第一支臂6与副工作台4之间铰连接第一伸缩杆8；第一支臂6与第二支臂7之间铰连接第二伸缩杆9；第一伸缩杆8调节第一支臂6的伸展角度，第二伸缩杆9调节第一支臂6和第二支臂7间的伸展角度；
优选的，所述激光雷达12与第二支臂7的前端通过第四伸缩杆11铰连接；第四伸缩杆11调节激光雷达12的升降；
优选的，所述第四伸缩杆11上连接附杆1101，附杆1101与第二支臂7之间连接第三伸缩杆10；且第三伸缩杆10的头端与附杆1101铰连接；第三伸缩杆10调节激光雷达12的方位角度；
优选的，所述红外接收器101与红外信号处理模块103连接，红外信号处理模块103与继电器102连接，继电器102有五台，分别控制各伸缩杆；遥控发射控制红外信号，被红外接收器101接收后，再经红外信号处理模块103处理，最后通过继电器102控制相应的部件实现相关控制操作。
实施例2
一种多路侧激光雷达点云配准装置的点云配准方法，包括以下步骤：
S1：将点云到其重心的距离进行升序排序，分别计算排序后最近和最远m个点的均值，作为距离其重心最近和最远的两个极点；
S2：构建以重心为起点，指向其两个极点的向量作为第一和第二特征向量，第一和第二特征向量的和向量的共线负向量作为第三特征向量；
S3：根据矩阵正交和旋转不改变其特征值，利用步骤S2构建的特征向量集计算旋转矩阵R0和平移向量t0；
S4：利用R0和t0对待配准点云进行转换，至此已完成点云的粗配准；
S5：精配准中，选择点对时，计算距离最近的4个点，通过z-score剔除距离异常点，剩余点的均值形成最近点，完成点对的构建；
S6：对初步构建完的点对，通过刚性变化欧式距离和向量夹角的不变性，更新点对；
S7：通过SVD法求解点对的旋转矩阵Rk+1和平移向量tk+1，设定迭代误差
S8：利用旋转矩阵Rk+1和平移向量tk+1对待配准点云进行转换，得到
S9：判断两次迭代误差与给定阈值ε的大小，若dk-dk+1＜ε或迭代次数大于给定值，迭代完成否则继续进行上述迭代。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (1)

1.一种多路侧激光雷达点云配准的方法，其特征在于，所述方法应用了多路侧激光雷达点云配准装置，所述配准装置包括：底座、工作台、转盘、副工作台、伸缩柱、第一支臂、第二支臂、第一伸缩杆、第二伸缩杆、第三伸缩杆、第四伸缩杆、激光雷达；所述底座上表面一体成型连接工作台，工作台上可转动连接着转盘，转盘上固定安装副工作台；副工作台上固定连接伸缩柱，在伸缩柱的上端铰连接第一支臂的后端，第一支臂的前端铰连接第二支臂的后端，第二支臂的前端铰连接着激光雷达；所述底座内部安装自动控制部，自动控制部包括红外接收器、继电器、红外信号处理模块；所述激光雷达内部安装探测组件，探测组件包括发射模块、接收模块、信息处理模块；所述底座上安装控制按钮，工作台内中部嵌入安装一台转动电机，转盘下底面嵌入安装在转动电机的转动轴上；转盘与工作台通过转动电机实现可转动连接；所述第一支臂与副工作台之间铰连接第一伸缩杆；第一支臂与第二支臂之间铰连接第二伸缩杆；所述激光雷达与第二支臂的前端通过第四伸缩杆铰连接，所述第四伸缩杆上连接附杆，附杆与第二支臂之间连接第三伸缩杆；且第三伸缩杆的头端与附杆铰连接；所述红外接收器与红外信号处理模块连接，红外信号处理模块与继电器连接，继电器有五台，分别控制各伸缩杆；
所述方法包括以下步骤：
S1：将点云到其重心的距离进行升序排序，分别计算排序后最近和最远m个点的均值，作为距离其重心最近和最远的两个极点；
S2：构建以重心为起点，指向其两个极点的向量作为第一和第二特征向量，第一和第二特征向量的和向量的共线负向量作为第三特征向量；
S3：根据矩阵正交和旋转不改变其特征值，利用步骤S2构建的特征向量集计算旋转矩阵R0和平移向量t0；
S4：利用R0和t0对待配准点云进行转换，至此已完成点云的粗配准；
S5：精配准中，选择点对时，计算距离最近的4个点，通过z-score剔除距离异常点，剩余点的均值形成最近点，完成点对的构建；
S6：对初步构建完的点对，通过刚性变化欧式距离和向量夹角的不变性，更新点对；
S7：通过SVD法求解点对的旋转矩阵Rk+1和平移向量tk+1，设定迭代误差
S8：利用旋转矩阵Rk+1和平移向量tk+1对待配准点云进行转换，得到Pi k+1；
S9：判断两次迭代误差与给定阈值ε的大小，若dk-dk+1<ε或迭代次数大于给定值，迭代完成否则继续进行上述迭代。
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