一种基于旋转激光雷达的煤矿巷道扫描建图方法

技术领域

本发明属于煤矿技术领域，涉及一种基于旋转激光雷达的煤矿巷道扫描建图方法。

背景技术

矿井环境是一个光照条件极差的场所，由于地下深处缺乏自然光的照射，光线普遍偏暗，这直接导致了纹理信息的弱化。矿井环境光照弱，纹理弱，光照变化剧烈，视觉传感器无法保证可靠的工作。而且，矿井内的光照变化剧烈，时而昏暗，时而因某些设备的开启而突然变得明亮，这种频繁的光照变化使得视觉传感器在捕捉图像时极易受到干扰，无法保证稳定且可靠的工作。这种不稳定性对于矿井的安全监控和作业指导来说是一个巨大的隐患。

固定的激光雷达在矿井应用中，虽然能够提供精确的测距信息，但其视场角却是有限的。这意味着激光雷达只能覆盖其前方一定范围内的空间，而无法获取矿井空间内所有区域的详细信息。因此，在实际应用中，单一的固定激光雷达往往难以满足对矿井全面感知的需求。

固定式激光雷达在矿井使用中，其z轴约束也是有限的。由于矿井环境的复杂性和特殊性，激光雷达在测量过程中可能会受到各种因素的影响，导致高程数据的累积误差逐渐增大。这种误差的累积不仅会影响对矿井地形地貌的准确判断，还可能对后续的导航和定位造成不利影响。

煤矿巷道通常具有狭窄的空间和退化的环境特点，这使得传统的室外SLAM(同时定位与地图构建)方法在该环境下难以有效应用。由于巷道空间狭小，视觉特征稀少，传统的SLAM方法往往无法提取足够的特征点进行匹配和定位，从而导致建图失败。此外，巷道内可能存在大量的粉尘和湿气，这些环境因素也会进一步影响视觉传感器的性能，加剧建图难度。

激光雷达在旋转过程中，由于自身运动和矿井环境的复杂性，会不可避免地引入点云畸变。这种畸变不仅会影响点云数据的准确性和完整性，还可能对后续的地图构建和导航算法产生不利影响。因此，在矿井应用中，需要充分考虑激光雷达旋转引入的点云畸变问题，并采取相应的措施进行校正和补偿。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于旋转激光雷达的煤矿巷道扫描建图方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于旋转激光雷达的煤矿巷道扫描建图方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：激光雷达传感器和惯性测量单元IMU数据之间进行数据同步；

步骤二：对两帧激光雷达之间的IMU数据进行积分；

步骤三：对激光雷达点云进行畸变去除；

步骤四：提取一帧点云中的几何线特征和强度线特征：

其中，c_l表示当前点的几何曲率，S为当前点领域，X

其中，c_i表示当前点的强度曲率，S为当前点领域，I

步骤五：根据IMU提供的先验位姿，以及特征点的属性，求解出点与线，点与面之间的匹配关系；

步骤六：构建残差方程，并进行位姿优化，求解帧间位姿；

其中，ξ表示帧间位姿，x

步骤七：将帧间位姿作为scan-to-map的初始值进行当前帧与地图的匹配，计算出帧间位姿；

步骤八：当前帧如果是关键帧，将当前帧加入到关键帧管理列表中；

步骤九：判断回环，求解回环约束；通过主成分分析对邻域内的点云地图进行分析，判断当前是否满足回环检测条件；

步骤十：将回环约束、帧间约束入到图优化中，进行帧间位姿优化，消除累积误差；

其中，

优化问题表示为：

通过调整

步骤十一：获取关键帧位姿和点云坐标，构建全局一致性地图。

本发明的有益效果在于：

(1)旋转激光雷达，视场角高达360°x270°；

(2)提取几何特征的同时，提取强度特征，增加了特征数量，使得帧间匹配更加可靠；

(3)激光雷达旋转，高程上的约束增强，降低了高程累积误差。

(4)本发明提出了一种强度特征提取方法，使得特征中不仅包含几何特征还包含强度特征，提高了匹配精度和可靠性。

(5)本发明提出了一种局部关键帧判断方法，避免在单通道巷道中来回产生的无效回环判断。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1，为一种基于旋转激光雷达的煤矿巷道扫描建图方法(Rotation-SLAM)是一种适用于激光雷达在移动过程中伴随着快速旋转的同时建图与定位方法。相较于传统的SLAM方法，该方法能够做到对煤矿巷道全局扫描，减少盲区，同时减少累积误差。

本发明提出了一种强度特征提取方法，使得特征中不仅包含几何特征还包含强度特征，提高了匹配精度和可靠性。

强度特征提取公式：

增加强度特征提取功能，不仅能提取出环境中的几何特征，还能求解出环境中的强度特征。增加了退化环境中特征点提取能力。

本发明提出了一种局部关键帧判断方法，避免在单通道巷道中来回产生的无效回环判断。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。