[发明专利]基于旋转雷达和IMU的巷道三维重建系统及方法

说明书

本发明公开一种基于旋转雷达和IMU的巷道三维重建系统及方法，系统包括移动载体机器、履带轮、轮速计、惯性测量系统IMU、旋转雷达、工控机和电源。其中轮速计安装于履带轮上，惯性测量系统IMU、旋转雷达和工控机安装于移动载体机器上，轮速计、惯性测量系统IMU、旋转雷达分别与工控机电连接。基于上述系统的巷道三维重建方法给点云置信度赋值以及基于置信度的点云融合，获得了更为精准的巷道场景点云。对巷道点云进行了表面重建，使得地面监控人员更直观的观测到巷道环境。

技术领域

本发明涉及三维空间立体建模技术领域，尤其涉及一种基于旋转雷达和IMU的巷道三维重建系统及方法。

背景技术

三维空间立体建模技术、适用于煤矿行业地下矿井掘进、地铁等巷道等场景，而现有的巷道等地下环境的三维重建方式使用激光雷达、IMU、GPS等几种传感器，大多为非在线的方式，且创建的三维模型、位姿精度较低。

非在线的巷道三维重建方式无法为煤矿井下巷道掘进的少人、无人化作业提供环境信息。同时精度较低的三维重建方式会给巷道掘进提供错误的环境信息，最终导致巷道成型误差大，甚至精度达不到工程要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于旋转雷达和IMU的巷道三维重建系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于旋转雷达和IMU的巷道三维重建系统，系统包括：

移动载体机器、履带轮、轮速计、惯性测量系统IMU、旋转雷达、工控机和电源；

所述轮速计安装于履带轮上，所述惯性测量系统IMU、旋转雷达和工控机安装于移动载体机器上；

所述轮速计、惯性测量系统IMU、旋转雷达分别与工控机电连接；

所述电源为轮速计、惯性测量系统IMU、旋转雷达以及工控机供电。

所述工控机包括处理器和存储器；所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现巷道的三维重建。

所述旋转雷达包括激光雷达、旋转云台和旋转轴；所述旋转轴垂直于地面，并以恒定的速度旋转；所述激光雷达与旋转轴固定连接，并使激光雷达的扫描平面垂直于地面；固定连接的激光雷达与旋转轴随着旋转云台一起旋转。

另一方面，本发明还提供一种采用上述基于旋转雷达和IMU的巷道三维重建系统进行三维重建的方法，包括如下步骤：

步骤1：基于旋转雷达和IMU的巷道三维重建系统建立坐标系，并对旋转雷达进行标定，过程如下：

步骤1.1：根据移动载体机器建立移动载体坐标系T_E；

步骤1.2：根据惯性测量系统IMU建立IMU坐标系T_I；

步骤1.3：根据旋转雷达建立旋转雷达坐标系T_L；

步骤1.4：建立世界坐标系T_W，并初始化与移动载体坐标系T_E重合；

步骤1.5：建立世界坐标系2T_W2，并初始化与IMU坐标系T_I重合；

步骤1.6：激光雷达采集连续两帧点云，使用Calidar Calibration方法，获得激光雷达坐标系到云台坐标系的标定矩阵。

步骤2：静态的获取旋转雷达采集的三维点云数据，赋予点云中每一个点一个置信度，并去除置信度为零的点，过程如下：

步骤2.1：在移动载体机器静止时，静态的采用激光雷达获取巷道静态的二维点云数据和旋转云台的转角；