[發明專利]基于3D激光雷達和慣性測量單元的融合的測距和繪圖

在審

• 申請號: 202010104509.6
• 申請日: 2020-02-20
• 公開（公告）號: CN111665512A
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發明（設計）人: 葉昊陽;陳玉瑩;劉明
• 申請（專利權）人: 香港科技大學
• 主分類號: G01S17/08
• 分類號: G01S17/08;G01S17/894;G01S7/48;G01C9/00
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 張娜;李榮勝

本公開提供一種用于姿態追蹤和三維繪圖的系統和方法，系統包括：3D激光雷達，其在第一時間和第二時間處獲得激光雷達掃查結果，第一時間在第二時間之前；慣性測量單元，其與所述3D激光雷達緊密耦合；和計算裝置，其構造為：在所述第二時間到來之前，利用在所述第一時間和所述第二時間之間來自所述慣性測量單元的測量數據對所述慣性測量單元在所述第二時間處的狀態進行更新，同時對在所述第一時間和所述第二時間之間來自所述慣性測量單元的測量數據進行預整合等。

技術領域

本發明涉及3D激光雷達和慣性測量單元(IMU)的融合，以用于姿態追蹤和3D環境繪圖。

背景技術

環境的三維(3D)地圖可以用于自主導航或工程測量。一些傳感器(例如3D激光雷達)可用于重建三維地圖。傳感器可以固定在系統上或在系統上移動。移動繪圖系統需要姿態追蹤(測距)和三維地圖生成，與固定在系統上相比，移動繪圖系統更靈活，更有效地捕獲三維空間。

在移動繪圖系統的其他示例中，應用了不同的傳感器來估計姿態并生成三維圖。一些系統基于一個或多個相機來估計量距和地圖。間接目測法從捕獲的圖像中提取特征點，并估計這些點的三維位置，這可能會導致地圖上的點稀疏。直接目測法可以提供更密集的地圖，但是每個圖像中的點位置的準確性都與估計的姿態有關。可以進一步應用立體或視覺慣性系統來解決度量三維空間中的點的規模的問題。大多數基于相機的方法都會受到照度變化的困擾，這可能會限制其應用。

基于三維激光雷達的系統是姿態追蹤和繪圖的替代方法，因為三維激光雷達可以提供度量點測量并且照度不變。當系統移動時，由于三維激光雷達的點的接收時間不同，這些點可能會失真?？梢酝ㄟ^外部傳感器(例如GNSS/INS)提供的運動模型或自身估計(激光雷達測距)來補償失真。外部傳感器輔助方法取決于外部傳感器的可實現性。自身估計的方法(基于三維激光雷達的姿態追蹤)在快速運動的情況下可能會失敗，因為傳感器具有相率較低的速率，或在一些類似狹窄走廊場景(三維激光雷達的重復特征)下可能會失敗。

有一些基于三維激光雷達和慣性測量單元的方法可以提高快速運動的情況下的性能。大多數方法將三維激光雷達和慣性測量單元解耦，形成松散耦合的系統。這些系統將三維激光雷達和慣性測量單元視為獨立的模塊，因此融合后的結果無法改善單獨的各模塊并影響系統的性能。

發明內容

一方面，本公開提供一種用于姿態追蹤和三維繪圖的系統，包括：

3D激光雷達，其在第一時間和第二時間處獲得激光雷達掃查結果，第一時間在第二時間之前；

慣性測量單元，其與所述3D激光雷達緊密耦合；和

計算裝置，其構造為：

在所述第二時間到來之前，利用在所述第一時間和所述第二時間之間來自所述慣性測量單元的測量數據對所述慣性測量單元在所述第二時間處的狀態進行更新，同時對在所述第一時間和所述第二時間之間來自所述慣性測量單元的測量數據進行預整合；

根據預整合后的所述慣性測量單元的測量數據以及慣性測量單元與激光雷達之間的外部參數來預測所述3D激光雷達的姿態，并將預測的所述3D激光雷達的姿態應用于在所述第二時間處接收的來自所述3D激光雷達的測量數據，以得到所述3D激光雷達的去偏移的測量數據；

提取在所述第二時間處接收的來自所述3D激光雷達的測量數據的特征點；

將在所述第一時間之前的來自所述3D激光雷達的測量數據的特征點融合為局部地圖；

利用預測的激光雷達的姿態和所述去偏移的測量數據，得到相對激光雷達測量；

利用所述相對激光雷達測量和所述預整合，以得到優化后的3D激光雷達的姿態，進而得到局部時間窗口內的狀態的繪圖估計，并將估計結果用于所述更新中。

在實施例中，所述計算裝置還構造為：