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基于视觉与激光融合的井下灾后救援无人机自主位姿估计
1
作者
何怡静
杨维
《工矿自动化》
CSCD
北大核心
2024年第4期94-102,共9页
无人机在灾后矿井的自主导航能力是其胜任抢险救灾任务的前提,而在未知三维空间的自主位姿估计技术是无人机自主导航的关键技术之一。目前基于视觉的位姿估计算法由于单目相机无法直接获取三维空间的深度信息且易受井下昏暗光线影响,导...
无人机在灾后矿井的自主导航能力是其胜任抢险救灾任务的前提,而在未知三维空间的自主位姿估计技术是无人机自主导航的关键技术之一。目前基于视觉的位姿估计算法由于单目相机无法直接获取三维空间的深度信息且易受井下昏暗光线影响,导致位姿估计尺度模糊和定位性能较差,而基于激光的位姿估计算法由于激光雷达存在视角小、扫描图案不均匀及受限于矿井场景结构特征,导致位姿估计出现错误。针对上述问题,提出了一种基于视觉与激光融合的井下灾后救援无人机自主位姿估计算法。首先,通过井下无人机搭载的单目相机和激光雷达分别获取井下的图像数据和激光点云数据,对每帧矿井图像数据均匀提取ORB特征点,使用激光点云的深度信息对ORB特征点进行深度恢复,通过特征点的帧间匹配实现基于视觉的无人机位姿估计。其次,对每帧井下激光点云数据分别提取特征角点和特征平面点,通过特征点的帧间匹配实现基于激光的无人机位姿估计。然后,将视觉匹配误差函数和激光匹配误差函数置于同一位姿优化函数下,基于视觉与激光融合来估计井下无人机位姿。最后,通过视觉滑动窗口和激光局部地图引入历史帧数据,构建历史帧数据和最新估计位姿之间的误差函数,通过对误差函数的非线性优化完成在局部约束下的无人机位姿的优化和修正,避免估计位姿的误差累计导致无人机轨迹偏移。模拟矿井灾后复杂环境进行仿真实验,结果表明:基于视觉与激光融合的位姿估计算法的平均相对平移误差和相对旋转误差分别为0.0011 m和0.0008°,1帧数据的平均处理时间低于100 ms,且算法在井下长时间运行时不会出现轨迹漂移问题;相较于仅基于视觉或激光的位姿估计算法,该融合算法的准确性、稳定性均得到了提高,且实时性满足要求。
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关键词
井下
无人机
位姿估计
单目相机
激光雷达
视觉与激光融合
ORB特征点
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职称材料
面向监控的井下无人机集群系统与关键技术
被引量：
5
2
作者
杨维
单春艳
刘俊波
《工矿自动化》
北大核心
2019年第4期6-12,共7页
井下监控系统通常是固定布设且布设范围有限,难以完全满足井下安全生产的动态监控需求,且井下单架无人机因无线通信距离有限,导致其监控能力较弱。针对上述问题,提出了一种面向监控的井下无人机集群系统,并从井下无人机集群飞行与规避...
井下监控系统通常是固定布设且布设范围有限,难以完全满足井下安全生产的动态监控需求,且井下单架无人机因无线通信距离有限,导致其监控能力较弱。针对上述问题,提出了一种面向监控的井下无人机集群系统,并从井下无人机集群飞行与规避协同控制、数据链组网、矿井巷道环境地图创建、井下无人机姿态与位置估计、动态障碍物检测、路径规划等方面详细介绍了系统实现的关键技术。地面调度中心通过设置在井下监控分站的网关节点向井下无人机集群发布调度命令,井下无人机编队采用"一"字形队列沿矿井巷道集群飞行,在进入指定区域后通过所搭载的视频传感器与环境监测传感器对井下指定区域进行监控,并通过多无人机协作方式将所监测的视频信息与环境参数传输到井下监控分站,实现对井下目标区域的自主动态监控。井下无人机集群系统具有覆盖范围广、监测能力强等优点,通过协同控制多架井下无人机提高了监控效率,通过无线多跳的方式解决了井下无人机单架平台无线通信距离受限的问题,有利于监测与控制信息的传递。
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关键词
矿井
井下
无人机
集群编队
自组织飞行策略
协同控制
姿态检测
路径规划
引导反光标识牌
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职称材料
井下巡检无人机系统设计及定位与避障技术
被引量：
6
3
作者
江传龙
黄宇昊
+3 位作者
韩超
赵明辉
王石刚
梁庆华
《机械设计与研究》
CSCD
北大核心
2021年第4期38-42,48,共6页
矿井环境无GPS、空间狭窄且光照条件差,无人机在该环境下的飞行面临很多挑战..针对无人机井下巡检作业这一特殊应用场景,设计了能够自主定位和避障的无人机系统。该无人机系统基于激光SLAM实现同步定位,由激光点云生成的八叉树地图构建...
矿井环境无GPS、空间狭窄且光照条件差,无人机在该环境下的飞行面临很多挑战..针对无人机井下巡检作业这一特殊应用场景,设计了能够自主定位和避障的无人机系统。该无人机系统基于激光SLAM实现同步定位,由激光点云生成的八叉树地图构建了飞行安全通道,并优化无人机的飞行路径,再通过最小化加速度优化指标,将路径点生成为光滑平缓的飞行轨迹。无人机飞行过程中能实时进行碰撞检测,并根据安全通道和当前障碍物信息调整路径点,实现自主避障。
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关键词
井下
巡检
无人机
自主定位
自主避障
路径规划
原文传递
基于迭代最近点的井下无人机实时位姿估计
被引量：
10
4
作者
王岩
马宏伟
+1 位作者
王星
杨林
《工矿自动化》
北大核心
2019年第9期25-29,共5页
:针对煤矿井下无GPS信号、低照度、结构化环境等特点,提出了一种基于迭代最近点(ICP)的井下无人机实时位姿估计方法。通过建立四旋翼无人机运动模型与机载激光雷达观测模型,将煤矿井下四旋翼无人机位姿估计问题转换为机载激光点云数据...
:针对煤矿井下无GPS信号、低照度、结构化环境等特点,提出了一种基于迭代最近点(ICP)的井下无人机实时位姿估计方法。通过建立四旋翼无人机运动模型与机载激光雷达观测模型,将煤矿井下四旋翼无人机位姿估计问题转换为机载激光点云数据的扫描匹配问题。用三维激光雷达作为四旋翼无人机机载环境测量传感器,得到无人机当前位姿下的观测点云数据;以第1帧位置为初始位,通过ICP方法得到连续2帧点云数据之间的相对变换矩阵,迭代求解连续关键帧点云数据,得到煤矿井下四旋翼无人机实时位姿估计结果。采用滤波与下采样方法对点云数据进行优化,加速变换矩阵的求解,满足四旋翼无人机位姿估计实时性需求。实验结果表明,基于ICP的井下无人机实时位姿估计方法能够快速、有效地求解四旋翼无人机位姿,相比于正态分布变换方法,ICP方法更适用于煤矿井下四旋翼无人机的实时位姿估计。
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关键词
井下
四旋翼
无人机
位姿估计
迭代最近点
三维激光雷达
点云数据
变换矩阵
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职称材料
题名
基于视觉与激光融合的井下灾后救援无人机自主位姿估计
1
作者
何怡静
杨维
机构
北京交通大学电子与信息工程学院
出处
《工矿自动化》
CSCD
北大核心
2024年第4期94-102,共9页
基金
国家自然科学基金资助项目(51874299)。
文摘
无人机在灾后矿井的自主导航能力是其胜任抢险救灾任务的前提,而在未知三维空间的自主位姿估计技术是无人机自主导航的关键技术之一。目前基于视觉的位姿估计算法由于单目相机无法直接获取三维空间的深度信息且易受井下昏暗光线影响,导致位姿估计尺度模糊和定位性能较差,而基于激光的位姿估计算法由于激光雷达存在视角小、扫描图案不均匀及受限于矿井场景结构特征,导致位姿估计出现错误。针对上述问题,提出了一种基于视觉与激光融合的井下灾后救援无人机自主位姿估计算法。首先,通过井下无人机搭载的单目相机和激光雷达分别获取井下的图像数据和激光点云数据,对每帧矿井图像数据均匀提取ORB特征点,使用激光点云的深度信息对ORB特征点进行深度恢复,通过特征点的帧间匹配实现基于视觉的无人机位姿估计。其次,对每帧井下激光点云数据分别提取特征角点和特征平面点,通过特征点的帧间匹配实现基于激光的无人机位姿估计。然后,将视觉匹配误差函数和激光匹配误差函数置于同一位姿优化函数下,基于视觉与激光融合来估计井下无人机位姿。最后,通过视觉滑动窗口和激光局部地图引入历史帧数据,构建历史帧数据和最新估计位姿之间的误差函数,通过对误差函数的非线性优化完成在局部约束下的无人机位姿的优化和修正,避免估计位姿的误差累计导致无人机轨迹偏移。模拟矿井灾后复杂环境进行仿真实验,结果表明:基于视觉与激光融合的位姿估计算法的平均相对平移误差和相对旋转误差分别为0.0011 m和0.0008°,1帧数据的平均处理时间低于100 ms,且算法在井下长时间运行时不会出现轨迹漂移问题;相较于仅基于视觉或激光的位姿估计算法,该融合算法的准确性、稳定性均得到了提高,且实时性满足要求。
关键词
井下
无人机
位姿估计
单目相机
激光雷达
视觉与激光融合
ORB特征点
Keywords
underground drones
pose estimation
monocular camera
Lidar
visual and laser fusion
ORB feature points
分类号
TD67 [矿业工程—矿山机电]
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职称材料
题名
面向监控的井下无人机集群系统与关键技术
被引量：
5
2
作者
杨维
单春艳
刘俊波
机构
北京交通大学电子与信息工程学院
中煤科工集团常州研究院有限公司
出处
《工矿自动化》
北大核心
2019年第4期6-12,共7页
基金
国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801800)
国家科技支撑计划资助项目(2013BAK06B03)
文摘
井下监控系统通常是固定布设且布设范围有限,难以完全满足井下安全生产的动态监控需求,且井下单架无人机因无线通信距离有限,导致其监控能力较弱。针对上述问题,提出了一种面向监控的井下无人机集群系统,并从井下无人机集群飞行与规避协同控制、数据链组网、矿井巷道环境地图创建、井下无人机姿态与位置估计、动态障碍物检测、路径规划等方面详细介绍了系统实现的关键技术。地面调度中心通过设置在井下监控分站的网关节点向井下无人机集群发布调度命令,井下无人机编队采用"一"字形队列沿矿井巷道集群飞行,在进入指定区域后通过所搭载的视频传感器与环境监测传感器对井下指定区域进行监控,并通过多无人机协作方式将所监测的视频信息与环境参数传输到井下监控分站,实现对井下目标区域的自主动态监控。井下无人机集群系统具有覆盖范围广、监测能力强等优点,通过协同控制多架井下无人机提高了监控效率,通过无线多跳的方式解决了井下无人机单架平台无线通信距离受限的问题,有利于监测与控制信息的传递。
关键词
矿井
井下
无人机
集群编队
自组织飞行策略
协同控制
姿态检测
路径规划
引导反光标识牌
Keywords
mine
formation of underground unmanned aerial vehicles cluster
self-organizing flight strategy
collaborative control
attitude detection
path planning
guided reflective tag
分类号
TD76 [矿业工程—矿井通风与安全]
下载PDF
职称材料
题名
井下巡检无人机系统设计及定位与避障技术
被引量：
6
3
作者
江传龙
黄宇昊
韩超
赵明辉
王石刚
梁庆华
机构
上海交通大学机械与动力工程学院
中煤科工集团上海有限公司
出处
《机械设计与研究》
CSCD
北大核心
2021年第4期38-42,48,共6页
基金
天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项资助项目(2019-TD-2-CXY007)。
文摘
矿井环境无GPS、空间狭窄且光照条件差,无人机在该环境下的飞行面临很多挑战..针对无人机井下巡检作业这一特殊应用场景,设计了能够自主定位和避障的无人机系统。该无人机系统基于激光SLAM实现同步定位,由激光点云生成的八叉树地图构建了飞行安全通道,并优化无人机的飞行路径,再通过最小化加速度优化指标,将路径点生成为光滑平缓的飞行轨迹。无人机飞行过程中能实时进行碰撞检测,并根据安全通道和当前障碍物信息调整路径点,实现自主避障。
关键词
井下
巡检
无人机
自主定位
自主避障
路径规划
Keywords
underground inspection UAV
autonomous positioning
autonomous obstacle avoidance
path planning
分类号
TP242 [自动化与计算机技术—检测技术与自动化装置]
原文传递
题名
基于迭代最近点的井下无人机实时位姿估计
被引量：
10
4
作者
王岩
马宏伟
王星
杨林
机构
西安科技大学机械工程学院
陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室
中煤能源研究院有限责任公司
出处
《工矿自动化》
北大核心
2019年第9期25-29,共5页
基金
国家自然科学基金项目(50674075)
陕西省科技统筹创新工程计划项目(2013KJTCL01-02)
文摘
:针对煤矿井下无GPS信号、低照度、结构化环境等特点,提出了一种基于迭代最近点(ICP)的井下无人机实时位姿估计方法。通过建立四旋翼无人机运动模型与机载激光雷达观测模型,将煤矿井下四旋翼无人机位姿估计问题转换为机载激光点云数据的扫描匹配问题。用三维激光雷达作为四旋翼无人机机载环境测量传感器,得到无人机当前位姿下的观测点云数据;以第1帧位置为初始位,通过ICP方法得到连续2帧点云数据之间的相对变换矩阵,迭代求解连续关键帧点云数据,得到煤矿井下四旋翼无人机实时位姿估计结果。采用滤波与下采样方法对点云数据进行优化,加速变换矩阵的求解,满足四旋翼无人机位姿估计实时性需求。实验结果表明,基于ICP的井下无人机实时位姿估计方法能够快速、有效地求解四旋翼无人机位姿,相比于正态分布变换方法,ICP方法更适用于煤矿井下四旋翼无人机的实时位姿估计。
关键词
井下
四旋翼
无人机
位姿估计
迭代最近点
三维激光雷达
点云数据
变换矩阵
Keywords
underground quadrotor UAV
pose estimation
iterative nearest point
3D laser radar
point cloud data
transformation matrix
分类号
TD67 [矿业工程—矿山机电]
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职称材料
题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
基于视觉与激光融合的井下灾后救援无人机自主位姿估计
何怡静
杨维
《工矿自动化》
CSCD
北大核心
2024
0
下载PDF
职称材料
2
面向监控的井下无人机集群系统与关键技术
杨维
单春艳
刘俊波
《工矿自动化》
北大核心
2019
5
下载PDF
职称材料
3
井下巡检无人机系统设计及定位与避障技术
江传龙
黄宇昊
韩超
赵明辉
王石刚
梁庆华
《机械设计与研究》
CSCD
北大核心
2021
6
原文传递
4
基于迭代最近点的井下无人机实时位姿估计
王岩
马宏伟
王星
杨林
《工矿自动化》
北大核心
2019
10
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职称材料
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