多维度视觉感知增强的煤矿机器人高精度三维高斯溅射SLAM方法
蔺小虎1
闫涛2
毛清华3
姚顽强2
马宏伟3
马柏林2
1.西安科技大学测绘科学与技术学院,陕西 西安 710054;西安科技大学机械工程学院,陕西 西安 710054;西安科技大学陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室,陕西 西安 7100542.西安科技大学测绘科学与技术学院,陕西 西安 7100543.西安科技大学机械工程学院,陕西 西安 710054;西安科技大学陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室,陕西 西安 710054
摘要：三维高斯溅射作为辐射场建模的前沿技术为煤矿井下数字化进程开辟了新路径,已成为煤矿机器人自主导航系统与数字孪生体系构建的关键支撑.然而,现有煤矿机器人SLAM(Simultan-eous Localization and Mapping)方法在面对动态光照、深度感知缺失与复杂几何结构等因素时面临着挑战.鉴于此,提出一种多维度视觉感知增强的高精度三维高斯溅射(3D Gaussian Splatting,3DGS)SLAM方法.首先,提出基于HIS(Hue-Intensity-Saturation)空间的多阶段图像增强校正算法,融合MSRCR(Multi-Scale Retinex with Color Restoration)、SWF(Side Window Filtering)和归一化伽马校正技术,通过非线性光照补偿与局部对比度优化实现RGB图像细节增强.构建彩色图-深度图特征引导的深度补全网络以填充深度数据空洞并抑制噪声干扰,提升原始数据质量.然后,设计混合欧几里德距离与重叠度结合的双阶段关键帧选择机制,通过空间差异性约束与视角覆盖冗余度控制,在保障场景表征完整性的前提下筛选最小必要关键帧集,实现精确高效关键帧选取.最后,设计透明度与时空加权观测频次双重约束的高斯管理策略,剔除低透明度区域的无效高斯椭球并对长期稳定观测的高斯椭球进行置信度强化,结合回环检测与位姿图优化实现全局一致的高质量建图.为验证所提方法有效性,依托自主设计集成的移动机器人平台,在采掘巷道等典型煤矿场景中进行了大量对比试验,结果表明:该方法在煤矿井下复杂场景中实现厘米级轨迹跟踪精度,其平均跟踪误差较当前最优基准方法降低 12.4%;三维建图峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio,PSNR)达 22.4 dB并保持较高实时性,显著优于主流算法,为构建数字孪生矿山提供了可靠技术支撑.
关键词：感知增强煤矿机器人三维高斯溅射视觉SLAM关键帧选取
分类号：TD67(矿山电工)
资助基金：国家自然科学基金(42201484)国家自然科学基金(52174150)陕西省重点研发计划资助项目(2024GX-YBXM-294)
论文发表日期：2025-10-31
在线出版日期：2025-11-20（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：15( 4609-4623 )
英文信息