隧道内高精度定位的方法、系统及定位设备

技术领域

本发明涉及隧道定位技术领域，特别涉及一种隧道内高精度定位的方法、系统及定位设备。

背景技术

在进行隧道施工时，通常需要进行隧道施工定位，确定隧道的位置和方向。隧道施工定位在隧道建设中起着至关重要的作用，可帮助施工人员准确保温隧道的位置和方向，从而确保施工的准确性和安全性。在传统技术中，通常基于摄像头视觉或激光雷达对隧道的内部进行3D(即三维)建模，得到隧道的三维地图，从而实现隧道内高精度定位，但是这种定位方法无论是成本还是耗电都比较高，经济性和效率都较低。

发明内容

本发明提供一种隧道内高精度定位的方法、系统及定位设备，可解决传统技术中基于摄像头视觉或激光雷达对隧道的内部进行3D建模以对隧道内进行高精度定位，成本还是耗电都比较高，经济性和效率都较低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种隧道内高精度定位的方法，应用于定位设备，所述定位设备包括设备主体，以及设于所述设备主体上的单线激光雷达和里程计，所述方法包括：

控制定位设备的单线激光雷达获取隧道内的测量基准；

根据得到的测量基准，结合里程计获取隧道内的横向位置信息和纵向位置信息；

根据得到的横向位置信息和纵向位置信息，获取定位设备在隧道内的定位信息。

可选地，所述单线激光雷达倾斜设于所述设备主体的顶部，且所述单线激光雷达与地面之间具有锐角夹角；所述控制定位设备的单线激光雷达获取隧道内的测量基准，包括如下步骤：

控制定位设备上倾斜设置的单线激光雷达发出单线激光以对地面进行旋转扫描，得到对应的点云弧线；

根据得到的点云弧线，确定定位设备的单线激光雷达在隧道内的测量基准。

可选地，所述定位设备包括设于所述设备主体上的反射镜，所述反射镜位于所述单线激光雷达的后方，且所述反射镜的镜面的法线方向的水平分量与所述单线激光雷达的正向的水平方向相同；

所述结合里程计获取隧道内的横向位置信息和纵向位置信息，包括如下步骤：

控制定位设备沿着隧道的延伸方向在隧道内移动；

控制定位设备上倾斜设置的单线激光雷达对前进方向进行旋转扫描，通过单线激光雷达和反射镜获取定位设备的前进方向的上下两侧对应的第一点云数据、第二点云数据；

根据得到的定位设备的前进方向的第一点云数据和第二点云数据，结合里程计获取定位设备在隧道内的横向位置信息和纵向位置信息。

可选地，所述控制定位设备上倾斜设置的单线激光雷达对前进方向进行旋转扫描，通过单线激光雷达和反射镜获取定位设备的前进方向的上下两侧对应的第一点云数据、第二点云数据，包括如下步骤：

控制定位设备上倾斜设置的单线激光雷达对前进方向的地面发出单线激光以对进行旋转扫描，当单线激光雷达发出的单线激光到达地面后获取对应于地面的第一点云数据；

同时，当单线激光雷达发出的单线激光到达地面后被反射至发射镜的镜面上、并反射至地面的上方时，获取对应于地面的上方的第二点云数据。

可选地，所述根据得到的定位设备的前进方向的第一点云数据和第二点云数据，结合里程计获取定位设备在隧道内的横向位置信息和纵向位置信息，包括如下步骤：

根据得到的定位设备的前进方向的第一点云数据，获取定位设备在隧道内的横向位置信息；

根据得到的定位设备的前进方向的第二点云数据，结合里程计获取定位设备在隧道内的纵向位置信息。

可选地，所述根据得到的定位设备的前进方向的第一点云数据，获取定位设备在隧道内的横向位置信息，包括如下步骤：

根据得到的定位设备的前进方向的第一点云数据，获取定位设备与隧道的左侧边界的左边界距离、以及与隧道的右侧边界的右边界距离；

根据第一点云数据中每个点的方向角变化，确定左边界距离和右边界距离的起始点；

根据定位设备与隧道的左侧边界的左边界距离、隧道的右侧边界的右边界距离、以及左边界距离和右边界距离的起始点，获取定位设备在隧道内的横向位置信息。

可选地，所述根据得到的定位设备的前进方向的第二点云数据，结合里程计获取定位设备在隧道内的纵向位置信息，包括如下步骤：

通过里程计获取定位设备在隧道内的初步纵位信息；

对预设的隧道内的顶部的关键帧信息与第二点云数据进行比对，检测二者的匹配情况；

当二者匹配时，根据初步纵位信息何第二点云数据获取定位设备在隧道内的修正纵位信息为纵向位置信息。

可选地，所述对预设的隧道内的顶部的关键帧信息与第二点云数据进行比对，包括如下步骤：

预先获取隧道内的三维点云信息，当检测到隧道的顶部存在稀疏的表面形状变化或者表面反光率变化时，记录稀疏的表面形状变化或者表面反光率变化的位置处的点云信息并生成点云关键帧；

在定位设备获取隧道的顶部的第二点云数据时，调取初步纵位信息处对应的点云关键帧与第二点云数据进行对比。

此外，本发明还提出一种隧道内高精度定位的系统，应用于定位设备，所述定位设备包括设备主体，以及设于所述设备主体上的单线激光雷达和里程计，所述系统包括：

基准信息获取模块，用于控制定位设备的单线激光雷达获取隧道内的测量基准；

横向和纵向信息获取模块，用于根据得到的测量基准，结合里程计获取隧道内的横向位置信息和纵向位置信息；

定位信息获取模块，用于根据得到的横向位置信息和纵向位置信息，获取定位设备在隧道内的定位信息。

此外，本发明还提出一种定位设备，包括：

设备主体；

单线激光雷达，倾斜设于所述设备主体的顶部，且所述单线激光雷达与地面之间具有锐角夹角；

反射镜，设于所述设备主体上，位于所述单线激光雷达的后方，且所述反射镜的镜面的法线方向的水平分量与所述单线激光雷达的正向的水平方向相同；

里程计，设于所述设备主体上；以及，

控制器，与所述设备主体、所述单线激光雷达和所述里程计均连接，用于执行如上所述的隧道内高精度定位的方法。

本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：

通过定位设备的单线激光雷达获取隧道内的测量基准，对隧道内进行激光扫描，根据得到的激光点云信息、并以隧道内特有的左右边界特征提取横向位置信息，结合定位设备的里程计(和惯性导航传感器)、以及特殊安装物(如照明)排水等材质或结构变化作为纵向位置特征提取纵向的位置信息，即可实现定位设备在隧道内的高精度定位。这样，可从施工的经济性和效率出发，专注于隧道施工场景，无需考虑障碍处理的情况，简化定位模式，抛弃传统技术中过于沉重的3D建图和模式识别，利用隧道特有的结构特点对定位算法进行优化，从而使其能够应用于真实的施工场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中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为本发明实施例所述隧道内高精度定位的方法的步骤流程示意简图；

图2为本发明实施例所述单线激光雷达的工作原理示意图；

图3为本发明实施例所述单线激光雷达和反射镜在定位设备上的安装和工作的结构示意简图；

图4为本发明实施例所述单线激光雷达获取的隧道内的上下两侧的点云数据的示意简图一；

图5为本发明实施例所述单线激光雷达获取的隧道内的上下两侧的点云数据的示意简图二；

图6为本发明实施例所述单线激光雷达沿隧道的延伸方向进行扫描以获取隧道边界的点云数据的示意图；

图7为本发明实施例所述单线激光雷达沿隧道的延伸方向进行扫描以获取隧道边界的点云数据的俯视示意图；

图8为本发明实施例所述单线激光雷达沿隧道的延伸方向进行扫描以获取(右)隧道边界的点云数据的右侧示意图；

图9为本发明实施例所述单线激光雷达沿隧道获取的隧道顶部的关键帧数据的示意图；

图10为本发明实施例所述单线激光雷达沿隧道获取的隧道顶部的点云数据的示意图；

图11为本发明实施例所述隧道内高精度定位的系统的结构示意框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种隧道内高精度定位的方法，应用于定位设备。定位设备可包括设备主体，以及设于设备主体上的单线激光雷达和里程计。具体地，该隧道内高精度定位的方法可包括如下步骤：

S100、控制定位设备的单线激光雷达获取隧道内的测量基准；

S200、根据得到的测量基准，结合里程计获取隧道内的横向位置信息和纵向位置信息；

S300、根据得到的横向位置信息和纵向位置信息，获取定位设备在隧道内的定位信息。

通过定位设备的单线激光雷达获取隧道内的测量基准，对隧道内进行激光扫描，根据得到的激光点云信息、并以隧道内特有的左右边界特征提取横向位置信息，结合定位设备的里程计(和惯性导航传感器)、以及特殊安装物(如照明)排水等材质或结构变化作为纵向位置特征提取纵向的位置信息，即可实现定位设备在隧道内的高精度定位。这样，可从施工的经济性和效率出发，专注于隧道施工场景，无需考虑障碍处理的情况，简化定位模式，抛弃传统技术中过于沉重的3D建图和模式识别，利用隧道特有的结构特点对定位算法进行优化，从而使其能够应用于真实的施工场景。

而且，在本实施例中，如图2所示，单线激光雷达(图2的中心点O处的灰色圆块所示)的工作方式如下：单线激光雷达发出单线激光，随着单线激光雷达围绕其安装中心旋转，其单线激光形成扫描平面。当单线激光雷达旋转，单线激光遇到扫描平面上的物体时会返回物体到雷达的距离和当前雷达旋转角度，物体位置可以极坐标表示，计算时可根据需要转换成直角坐标。由于雷达采样时间固定、旋转周期固定，可确定其分辨率，每个角度的采样点对应唯一序号

进一步地，如图3所示，单线激光雷达(图3中的灰色矩形块所示)可倾斜设于设备主体(图3中的黑色边框矩形框所示)的顶部，且单线激光雷达与地面之间具有锐角夹角α，通过将单线激光雷达倾斜向下安设，可保证单线激光雷达能够采集到足够的信息。而且，在步骤S100中，控制定位设备的单线激光雷达获取隧道内的测量基准，可进一步包括如下步骤：

S110、控制定位设备上倾斜设置的单线激光雷达发出单线激光以对地面进行旋转扫描，得到对应的点云弧线；

S120、根据得到的点云弧线，确定定位设备的单线激光雷达在隧道内的测量基准。

即在定位设备正式进行定位前，可先确定其原点位置，再根据原点位置进行移动定位。

而且，如图3所示，定位设备可包括设于设备主体(图3中的黑色边框矩形框所示)上的反射镜(图3中的黑色边框矩形框的上方倾斜设置的线条，与单线激光雷达前后对应)，反射镜位于单线激光雷达的后方，且反射镜的镜面的法线方向的水平分量与单线激光雷达的正向的水平方向相同，且反射镜的镜面方向与垂直方向具有夹角

如图3所示，通过图3中的几何关系及公式，可算得单线激光雷达的单线激光的反射点A、B的距离和高度。

其中，A点反射光线与反射镜的镜面的法向之间的夹角为：

单线激光雷达的反射光线与水平面之间的夹角为：

A点反射光线与反射镜的镜面之间的夹角为：

反射镜的倾斜角度为：

反射镜的镜面反射点与单线激光雷达的长度为：

其中，L

反射镜的镜面反射点与单线激光雷达的距离为：

L

反射镜的镜面反射点与设备主体的侧边之间的距离为：

L

反射镜的镜面反射点与设备主体的顶面之间的距离为：

H

反射镜的镜面反射点与反射点B之间的长度为：

D

其中，D

反射点B与地面之间的距离(即高度)为：

H

设备主体的高度，为测量值；

单线激光雷达与反射点B之间的距离为：

L

单线激光雷达与反射点A之间的距离为：

L

其中，D

设备主体的顶面与B点反射线的交点K、与A点反射线和A点反射线的交点M0之间的长度为：

设备主体的顶面与B点反射线的交点K、与点K2之间的长度为：

L

设备主体的顶面与B点反射线的交点K、与单线激光雷达之间的距离为：

因此，在步骤S200中，结合里程计获取隧道内的横向位置信息和纵向位置信息，可包括如下步骤：

S210、控制定位设备沿着隧道的延伸方向在隧道内移动；

S220、控制定位设备上倾斜设置的单线激光雷达对前进方向进行旋转扫描，通过单线激光雷达和反射镜获取定位设备的前进方向的上下两侧对应的第一点云数据、第二点云数据(如图4和图5所示)；

S230、根据得到的定位设备的前进方向的第一点云数据和第二点云数据，结合里程计获取定位设备在隧道内的横向位置信息和纵向位置信息。

由上述内容可知，通过将定位设备的设备主体上的单线激光雷达向地面倾斜设置，并在设备主体的后侧倾斜设置与单线激光雷达前后对应的反射镜，可以同时获取定位设备的前进方向上的下侧的第一点云数据A’

进一步地，在步骤S220中，控制定位设备上倾斜设置的单线激光雷达对前进方向进行旋转扫描，通过单线激光雷达和反射镜获取定位设备的前进方向的上下两侧对应的第一点云数据、第二点云数据，可进一步包括如下步骤：

S222、控制定位设备上倾斜设置的单线激光雷达对前进方向的地面发出单线激光以对进行旋转扫描，当单线激光雷达发出的单线激光到达地面后获取对应于地面的第一点云数据；

S224、同时，当单线激光雷达发出的单线激光到达地面后被反射至发射镜的镜面上、并反射至地面的上方时，获取对应于地面的上方的第二点云数据。

而且，在步骤S230中，根据得到的定位设备的前进方向的第一点云数据和第二点云数据，结合里程计获取定位设备在隧道内的横向位置信息和纵向位置信息，可进一步包括如下步骤：

S232、根据得到的定位设备的前进方向的第一点云数据，获取定位设备在隧道内的横向位置信息；

S234、根据得到的定位设备的前进方向的第二点云数据，结合里程计获取定位设备在隧道内的纵向位置信息。

如图5所示，使用一个单线激光雷达就可以获取定位设备的前方及侧方上下两部分点云数据：下方的为第一点云数据为A’

因此，更进一步地，在步骤S232中，根据得到的定位设备的前进方向的第一点云数据，获取定位设备在隧道内的横向位置信息，可进一步包括如下步骤：

S2322、根据得到的定位设备的前进方向的第一点云数据，获取定位设备与隧道的左侧边界的左边界距离、以及与隧道的右侧边界的右边界距离；

S2324、根据第一点云数据中每个点的方向角变化，确定左边界距离和右边界距离的起始点；

S2326、根据定位设备与隧道的左侧边界的左边界距离、隧道的右侧边界的右边界距离、以及左边界距离和右边界距离的起始点，获取定位设备在隧道内的横向位置信息。

如图6至图8所示，线段O’T是线段P’

其中，

而且，因为线段P

而且可知，

而且，

其中，D

而且，拟合直线段AA

将其转化为直角坐标后使用如下公式计算每个点的方向角a

通过比较方向角变化确定其是否在直线上，从而确定线段始末点。

而且，更进一步地，在步骤S234中，根据得到的定位设备的前进方向的第二点云数据，结合里程计获取定位设备在隧道内的纵向位置信息，可进一步包括如下步骤：

S2342、通过里程计获取定位设备在隧道内的初步纵位信息；

S2344、对预设的隧道内的顶部的关键帧信息与第二点云数据进行比对，检测二者的匹配情况；

S2346、当二者匹配时，根据初步纵位信息何第二点云数据获取定位设备在隧道内的修正纵位信息为纵向位置信息。

进一步地，在步骤S2344中，对预设的隧道内的顶部的关键帧信息与第二点云数据进行比对，包括如下步骤：

预先获取隧道内的三维点云信息，当检测到隧道的顶部存在稀疏的表面形状变化或者表面反光率变化时，记录稀疏的表面形状变化或者表面反光率变化的位置处的点云信息并生成点云关键帧；

在定位设备获取隧道的顶部的第二点云数据时，调取初步纵位信息处对应的点云关键帧与第二点云数据进行对比。

如图9所示，因为隧道的特点，其顶部表面大部分平坦，但存在稀疏的表面形状变化或者表面反光率变化，这些变化可以被激光雷达检测到，可由这些特性变化点生成关键帧。

之后在设备运行时，雷达通过反射镜可以扫描隧道顶部，获得隧道的顶部点云。通过设备里程计可以获得当前设备在隧道内纵向位置，通过该位置获取设备前方附近的关键帧并加载关键帧图样特性(位置、宽高等)，在侦测到点云线型发生变化时将变化的位置与关键帧的位置进行对比，如果变化位置与关键帧相似，则记录变化图样，与关键帧图样对比寻找最佳匹配位置，并通过该位置参数修正里程计输出(可以用卡尔曼滤波)。

而且，隧道的顶部的点云数据(第二点云数据)的坐标的计算如下：

如图10所示，(x’

其中，点K

D

点K与点W的线段长度如下：

D

H

点K与点W’的线段长度如下：

L

点O与点W’的线段长度如下：

L

点Bp与点B’

H＝H

线段B

W

此外，如图11所示，本发明还提出一种隧道内高精度定位的系统100，应用于定位设备。定位设备可包括设备主体，以及设于设备主体上的单线激光雷达和里程计。具体地，隧道内高精度定位的系统100可包括：

基准信息获取模块110，用于控制定位设备的单线激光雷达获取隧道内的测量基准；

横向和纵向信息获取模块120，用于根据得到的测量基准，结合里程计获取隧道内的横向位置信息和纵向位置信息；

定位信息获取模块130，用于根据得到的横向位置信息和纵向位置信息，获取定位设备在隧道内的定位信息。

本实施例所述的隧道内高精度定位的系统100与上述的隧道内高精度定位的方法相互对应，本实施例中隧道内高精度定位的系统中各个模块的功能在相应的方法实施例中详细阐述，在此不再赘述。

此外，此外，本发明还提出一种定位设备，包括设备主体，设于设备主体上的单线激光雷达、反射镜、里程计、以及控制器。而且，单线激光雷达可倾斜设于设备主体的顶部，且单线激光雷达与地面之间具有锐角夹角。反射镜也可倾斜设于设备主体的顶部，位于单线激光雷达的后方，使得二者前后对应，且反射镜的镜面的法线方向的水平分量与单线激光雷达的正向的水平方向相同。控制器与设备主体、单线激光雷达和里程计均连接，可控制设备主体、单线激光雷达和里程计工作，并可用于执行如上所述的隧道内高精度定位的方法。

而且，在本实施例中，定位设备可设为隧道内进行施工的车辆、或其他可移动设备，而单线激光雷达、反射镜、里程计、以及控制器可设置在这些车辆或可移动设备上。

同理，控制器可用于定位设备实现上述隧道内高精度定位的方法中的各步骤，具体实现方式可参照上述隧道内高精度定位的方法的具体内容，在此不再赘述。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述隧道内高精度定位的方法的控制方法的所有方法步骤或部分方法步骤。

本发明实现上述方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器上储存有在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法中的所有方法步骤或部分方法步骤。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，处理器是计算机装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个计算机装置的各个部分。

存储器可用于存储计算机程序和/或模型，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模型，以及调用存储在存储器内的数据，实现计算机装置的各种功能。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(例如声音播放功能、图像播放功能等)；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(例如音频数据、视频数据等)。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、服务器或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、服务器和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。