[发明专利]一种非合作目标点云初始姿态验证方法

摘要

本发明提供了一种非合作目标点云初始姿态验证方法。三维激光扫描技术能够快速获取物体表面每个采样点的空间位置坐标，得到一个表示实体的点集合，称之为“点云”。点云中每个点的角度信息通过摆镜获得，距离通过激光飞行时间测量得到。通过距离和角度信息可以计算出每个点的三维坐标信息。目标的三维模型点云及零姿态已经存储好，获取到扫描点云后，零姿态的模型点云和扫描点云进行配准，从而求取扫描点云的初始姿态。本发明首先判断扫描点云是否完全覆盖目标，而后根据是否完全覆盖情况选择不同的策略进行配准比较，最后进一步采用菱形选点进行配准。本发明的方法运算速度快、复杂度低并且占用存储器空间小，初始姿态计算精度高。

主权项

1.一种非合作目标点云初始姿态验证方法，其特征在于，包括步骤如下：(1)以激光发射点为坐标原点O，建立坐标系，以水平方向为x轴，以竖直向上方向为y轴，z轴与x轴、y轴满足右手定则；(2)激光扫描目标获得扫描点云，点云中每个点的x坐标为该点相对激光发射点的距离在x轴上的投影，y坐标为该点相对激光发射点的距离在y轴上的投影，z坐标为该点相对激光发射点的距离在z轴上的投影；求取扫描点云中各点的平均点O_s；去除离中心点O_s超过T的点，在剩余点中，求取相互距离最远的两个点A、B之间的距离；如果点A、点B之间的距离小于L，则转入步骤(3)；如果点A、点B之间的距离大于等于L，则转入步骤(10)；其中，T为设定的距离阈值，L为目标上距离最远的两点之间的距离值；(3)扫描点云在xy轴平面投影，在xy轴投影平面内，以各点在x轴上的最小x坐标值位置为起点、最大x坐标值位置为终点，按同等间隔P_x划出m条垂直于x轴的直线；扫描点云中以各点在y轴上的最小y坐标值位置为起点、最大y坐标值位置为终点，按同等间隔P_y划出n条垂直于y轴的直线，两组直线形成m×n个交叉点；其中，m、n为正整数；(4)扫描点云的各交叉点的z坐标取值均为步骤(2)中平均点O_s的z坐标值；根据目标设计外形获取模型点云，求取模型点云中心点，定义模型点云的零姿态，模型点云投射在步骤(1)中所建的坐标系中；将扫描点云在x、y、z轴方向平移，使得某一个交叉点与模型点云中心点对准，在模型点云零姿态下，将扫描点云与模型点云进行点云配准，计算配准误差；(5)重复步骤(4)直至全部扫描点云交叉点均与模型点云中心点对准，计算每次对准后的配准误差，取配准误差中最小值对应的交叉点W；(6)以步骤(5)中配准误差最小值对应的交叉点W为中心，沿x轴正负方向分别移动P_x/2距离获得点C₁、点C₂，沿y轴正负方向分别移动P_y/2距离获得点C₃、点C₄；点W、点C₁、点C₂、点C₃、点C₄的z坐标取值均为步骤(2)中平均点O_s的z坐标值；(7)将扫描点云在坐标系内平移，使得点W、点C₁、点C₂、点C₃、点C₄其中某一点与模型点云中心点对准，根据设定的调整角度调整扫描点云的俯仰角、偏航角或滚动角，每次调整俯仰角、偏航角、滚动角后的扫描点云均与零姿态下的模型点云进行点云配准并计算配准误差，记录最小配准误差及对应的姿态；(8)重复步骤(7)直至获得点W、点C₁、点C₂、点C₃、点C₄各自的最小配准误差及扫描点云对应的姿态；对5个点的最小配准误差进行再次比对，求取最小的配准误差；(9)将步骤(8)中求取的最小配准误差对应的扫描点云的俯仰角、偏航角、滚动角的角度值作为目标的最终初始姿态，方法结束；(10)求取点A、点B的连线与x轴夹角α，将扫描点云以平均点O_s为中心，绕z轴方向旋转‑α角；(11)旋转后的扫描点云在xy轴平面投影，在xy轴投影平面内，以旋转后扫描点云中各点在x轴上的最小x坐标值位置为起点、最大x坐标值位置为终点，按同等间隔P_x划出3条垂直于x轴的直线；以扫描点云中各点在y轴上的最小y坐标值位置为起点、最大y坐标值位置为终点，按同等间隔P_y划出n条垂直于y轴的直线，两组直线形成3n个交叉点；进入步骤(4)。