【摘要】：野外作戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜多變,如何在地形崎嶇、障礙未知的環(huán)境中提高車(chē)輛可穿越地面區(qū)域分割的精度是無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)環(huán)境感知研究中首先需要解決的問(wèn)題。以往針對(duì)地面分割問(wèn)題的研究通常借助于可見(jiàn)光相機(jī)(典型的被動(dòng)式感知)或激光雷達(dá)(典型的主動(dòng)式感知),但是前者對(duì)環(huán)境光照和紋理等條件敏感,后者因其掃描式機(jī)制使其在顛簸環(huán)境下容易引起掃描變形,都不能穩(wěn)定適應(yīng)野外環(huán)境�；陲w行時(shí)間(Time-of-Flight,ToF)測(cè)距技術(shù)成像傳感器的出現(xiàn),大大提升了機(jī)器感知環(huán)境的能力。ToF相機(jī)一次成像即可獲取車(chē)前視野環(huán)境的景深信息,相比基于可見(jiàn)光相機(jī)的雙目/多目立體視覺(jué)系統(tǒng)和激光雷達(dá),能更好的適應(yīng)野外環(huán)境,所以本文將基于ToF技術(shù)針對(duì)野外地面分割展開(kāi)研究。針對(duì)無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)對(duì)環(huán)境感知的需求,本文基于ToF技術(shù)獲取環(huán)境三維信息,提出并設(shè)計(jì)了基于ToF的地面分割方法。而后,針對(duì)ToF相機(jī)的研發(fā)和在野外地面分割方面的應(yīng)用研究需求,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了ToF感知應(yīng)用仿真平臺(tái),并在該平臺(tái)上對(duì)地面分割算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。論文的主要工作和研究成果包括如下三個(gè)方面:1.首次提出將基于ToF技術(shù)的成像傳感器應(yīng)用于野外地面分割,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于大小自適應(yīng)柵格的地面分割方法,根據(jù)地形的可穿越性(Traversability)分析,自適應(yīng)調(diào)整柵格分辨率。實(shí)驗(yàn)證明,該方法在多障礙、少障礙、無(wú)障礙環(huán)境下都能有效分割地面,且能夠?qū)崿F(xiàn)在綜合考慮分割算法精度和執(zhí)行效率的同時(shí)有效提升精確率和召回率。2.針對(duì)野外崎嶇地形環(huán)境下開(kāi)展ToF感知研究的需求,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了ToF感知應(yīng)用仿真平臺(tái)。分析了ToF相機(jī)成像幾何模型,引入diamond-square分形算法隨機(jī)生成自然崎嶇地形,實(shí)現(xiàn)了該模擬地形環(huán)境下ToF相機(jī)成像的仿真,能獲取理想條件下ToF三維成像數(shù)據(jù),用于支持感知研究實(shí)驗(yàn)。3.基于仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)的二次開(kāi)發(fā)接口,實(shí)現(xiàn)了本文提出的基于大小自適應(yīng)柵格的野外地面分割方法。通過(guò)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文地面分割方法的有效性,并分析了ToF相機(jī)的有效測(cè)距范圍等主要參數(shù)對(duì)地面分割效果的影響。
【圖文】：

圖 1-3 論文組織結(jié)構(gòu)Fig.1-3 Paper Organization論文總共分成了五大章節(jié)，結(jié)構(gòu)安排如圖 1-3 所示。第一章緒論主要闡述了研究課題的背景與意義，并針對(duì)本文的研究課題，從三個(gè)方面歸納了研究現(xiàn)狀。一是 ToF 相機(jī)的發(fā)展及其仿真平臺(tái)研究現(xiàn)狀；二是地面分割研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)調(diào)研基于三維數(shù)據(jù)的路面檢測(cè)；三是三維自然地形生成和可視化研究現(xiàn)狀。第二章分四個(gè)部分介紹了本文研究實(shí)現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)。第一部分介紹了脈沖型ToF 相機(jī)成像原理，為 ToF 相機(jī)的仿真成像實(shí)現(xiàn)作基礎(chǔ)；第二部分介紹了三種經(jīng)典的地面分割方法，為基于 ToF 的地面分割研究作基礎(chǔ)；第三和四部分介紹了地形生成的相關(guān)方法和基于 OpenGL 可視化的相關(guān)技術(shù)，為仿真地形生成和可視化研究作基礎(chǔ)。第三章主要研究了 ToF 技術(shù)在野外崎嶇地面環(huán)境下地面分割方面的應(yīng)用。首先分析了 ToF 相機(jī)成像幾何模型，研究了 ToF 距離成像數(shù)據(jù)到點(diǎn)云的轉(zhuǎn)換。然后闡述了基于柵格地圖的地形幾何可穿越性分析進(jìn)行地面分割的方法。針對(duì)基于

應(yīng)用研究和仿真成像實(shí)現(xiàn)作基礎(chǔ)；第二部分介紹了幾種經(jīng)典的地面分于 ToF 的地面分割研究作基礎(chǔ)；第三和四部分總結(jié)了地形生成的相于 OpenGL 可視化的相關(guān)技術(shù)，為仿真地形生成和可視化研究作基礎(chǔ)脈沖型 ToF 相機(jī)成像原理oF 相機(jī)基于飛行時(shí)間技術(shù)進(jìn)行測(cè)距，，一次成像生成一張深度圖像，每一個(gè)像素點(diǎn)的像素值代表的是成像傳感器與場(chǎng)景中該點(diǎn)之間的距離以計(jì)算出場(chǎng)景的 3D 信息。ToF 深度相機(jī)分為脈沖型 ToF 深度相機(jī)和度相機(jī)。相較于連續(xù)波 ToF 深度相機(jī)，脈沖型 ToF 深度相機(jī)其具備1）可以在極短時(shí)間釋放高能量信號(hào)，減少了外界光源對(duì)測(cè)量結(jié)果的減少；2）不需要使用相位等其他參數(shù)，避免了計(jì)算過(guò)程中的累積誤度更高；3）發(fā)射的激光平均強(qiáng)度較低，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的視力傷害較��；離范圍可以根據(jù)激光脈沖與電子快門(mén)的時(shí)序和使用大功率激光器進(jìn)行型 ToF 探測(cè)系統(tǒng)的主要組成模塊如圖 2-1 所示。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP391.9;E91

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本文編號(hào)：2706407