基于ToF的野外地面分割方法研究及在仿真平台的应用

发布时间：2020-06-10 14:17

【摘要】：野外作战环境复杂多变,如何在地形崎岖、障碍未知的环境中提高车辆可穿越地面区域分割的精度是无人作战平台环境感知研究中首先需要解决的问题。以往针对地面分割问题的研究通常借助于可见光相机(典型的被动式感知)或激光雷达(典型的主动式感知),但是前者对环境光照和纹理等条件敏感,后者因其扫描式机制使其在颠簸环境下容易引起扫描变形,都不能稳定适应野外环境。基于飞行时间(Time-of-Flight,ToF)测距技术成像传感器的出现,大大提升了机器感知环境的能力。ToF相机一次成像即可获取车前视野环境的景深信息,相比基于可见光相机的双目/多目立体视觉系统和激光雷达,能更好的适应野外环境,所以本文将基于ToF技术针对野外地面分割展开研究。针对无人作战平台对环境感知的需求,本文基于ToF技术获取环境三维信息,提出并设计了基于ToF的地面分割方法。而后,针对ToF相机的研发和在野外地面分割方面的应用研究需求,设计并实现了ToF感知应用仿真平台,并在该平台上对地面分割算法进行了仿真验证。论文的主要工作和研究成果包括如下三个方面:1.首次提出将基于ToF技术的成像传感器应用于野外地面分割,设计并实现了基于大小自适应栅格的地面分割方法,根据地形的可穿越性(Traversability)分析,自适应调整栅格分辨率。实验证明,该方法在多障碍、少障碍、无障碍环境下都能有效分割地面,且能够实现在综合考虑分割算法精度和执行效率的同时有效提升精确率和召回率。2.针对野外崎岖地形环境下开展ToF感知研究的需求,设计并实现了ToF感知应用仿真平台。分析了ToF相机成像几何模型,引入diamond-square分形算法随机生成自然崎岖地形,实现了该模拟地形环境下ToF相机成像的仿真,能获取理想条件下ToF三维成像数据,用于支持感知研究实验。3.基于仿真平台设计的二次开发接口,实现了本文提出的基于大小自适应栅格的野外地面分割方法。通过应用实验验证了本文地面分割方法的有效性,并分析了ToF相机的有效测距范围等主要参数对地面分割效果的影响。
【图文】：

图 1-3 论文组织结构Fig.1-3 Paper Organization论文总共分成了五大章节，结构安排如图 1-3 所示。第一章绪论主要阐述了研究课题的背景与意义，并针对本文的研究课题，从三个方面归纳了研究现状。一是 ToF 相机的发展及其仿真平台研究现状；二是地面分割研究现状，重点调研基于三维数据的路面检测；三是三维自然地形生成和可视化研究现状。第二章分四个部分介绍了本文研究实现的相关技术。第一部分介绍了脉冲型ToF 相机成像原理，为 ToF 相机的仿真成像实现作基础；第二部分介绍了三种经典的地面分割方法，为基于 ToF 的地面分割研究作基础；第三和四部分介绍了地形生成的相关方法和基于 OpenGL 可视化的相关技术，为仿真地形生成和可视化研究作基础。第三章主要研究了 ToF 技术在野外崎岖地面环境下地面分割方面的应用。首先分析了 ToF 相机成像几何模型，研究了 ToF 距离成像数据到点云的转换。然后阐述了基于栅格地图的地形几何可穿越性分析进行地面分割的方法。针对基于

应用研究和仿真成像实现作基础；第二部分介绍了几种经典的地面分于 ToF 的地面分割研究作基础；第三和四部分总结了地形生成的相于 OpenGL 可视化的相关技术，为仿真地形生成和可视化研究作基础脉冲型 ToF 相机成像原理oF 相机基于飞行时间技术进行测距，，一次成像生成一张深度图像，每一个像素点的像素值代表的是成像传感器与场景中该点之间的距离以计算出场景的 3D 信息。ToF 深度相机分为脉冲型 ToF 深度相机和度相机。相较于连续波 ToF 深度相机，脉冲型 ToF 深度相机其具备1）可以在极短时间释放高能量信号，减少了外界光源对测量结果的减少；2）不需要使用相位等其他参数，避免了计算过程中的累积误度更高；3）发射的激光平均强度较低，对现场人员的视力伤害较小；离范围可以根据激光脉冲与电子快门的时序和使用大功率激光器进行型 ToF 探测系统的主要组成模块如图 2-1 所示。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.9;E91

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本文编号：2706407