[發(fā)明專利]一種基于激光雷達(dá)的室外三維同步定位與建圖方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110129307.1
• 申請(qǐng)日: 2021-01-29
• 公開（公告）號(hào): CN112767490B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張立偉;朱富偉;劉宸希;何炳蔚
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T7/73
• 分類號(hào): G06T7/73;G01S17/89
• 代理公司: 福州元?jiǎng)?chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 錢莉;蔡學(xué)俊

本發(fā)明提供了一種基于激光雷達(dá)的室外三維同步定位與建圖方法，包括步驟：利用激光雷達(dá)獲取周圍環(huán)境的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)；對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除離群點(diǎn)，并進(jìn)行地面分割，提取地面點(diǎn)集合；分別從地面點(diǎn)集合和非地面點(diǎn)集合中提取邊緣特征點(diǎn)和平面特征點(diǎn)；利用提取到的邊緣特征點(diǎn)和平面特征點(diǎn)，通過點(diǎn)到邊線和點(diǎn)到平面的掃描匹配，建立相鄰兩次掃描之間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，完成運(yùn)動(dòng)估計(jì)；將提取到的邊緣特征點(diǎn)和平面特征點(diǎn)匹配到周圍的點(diǎn)云圖中，進(jìn)一步優(yōu)化位姿變換；利用回環(huán)檢測(cè)算法減少累積漂移誤差，實(shí)現(xiàn)位姿估計(jì)和地圖構(gòu)建。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確性更高、魯棒性更強(qiáng)的建圖。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及移動(dòng)機(jī)器人的三維SLAM技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于激光雷達(dá)的室外三維同步定位與建圖方法。

背景技術(shù)

近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人正在逐步走向完全自主化，而同步定位與建圖是機(jī)器人能否真正實(shí)現(xiàn)完全自主化的關(guān)鍵技術(shù)之一。在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的良好感知是決定移動(dòng)機(jī)器人能否廣泛應(yīng)用于實(shí)際問題的關(guān)鍵因素之一。常用的環(huán)境感知傳感器主要有相機(jī)、激光雷達(dá)、聲吶等，其中，相機(jī)和激光雷達(dá)是應(yīng)用最廣泛的兩類傳感器。目前，基于視覺傳感器和激光傳感器的技術(shù)都已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，但是由于視覺傳感器受到環(huán)境光照條件的限制并且測(cè)量精度有限，在室外環(huán)境中的應(yīng)用就受到限制。

激光雷達(dá)傳感器具有測(cè)距精度高、受光線影響小、抗電磁干擾性強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中備受青睞。尤其是在室外機(jī)器人領(lǐng)域，三維激光雷達(dá)已成為其必不可少的環(huán)境感知傳感器。在園區(qū)等室外低速環(huán)境下，由于激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)的精度高且受外部因素如光照等影響較小，因此可以用于高精度地圖構(gòu)建、動(dòng)態(tài)障礙物檢測(cè)、路徑規(guī)劃、實(shí)時(shí)避障等，目前三維激光雷達(dá)已成為室外同步定位與建圖領(lǐng)域的必備傳感器。

與二維激光雷達(dá)相比，三維激光雷達(dá)的視野更廣、數(shù)據(jù)測(cè)量密度更高，對(duì)三維環(huán)境的感知更加全面，因此在室外環(huán)境應(yīng)用中三維激光雷達(dá)成為主流。另外，三維地圖相較于二維地圖而言，更能完整反映出環(huán)境的真實(shí)情況，在三維地圖中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)象識(shí)別，提供更可靠的定位和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，還可以進(jìn)行更精確的路徑規(guī)劃，為在特殊環(huán)境下如崎嶇地形、上下坡等環(huán)境的導(dǎo)航提供了可能性。因此在室外環(huán)境下實(shí)現(xiàn)三維同步定位與建圖具有十分重要的意義。目前，使用激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)室外三維同步定位與建圖成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種基于激光雷達(dá)的室外三維同步定位與建圖方法，能夠?qū)崿F(xiàn)精度更高、魯棒性更強(qiáng)的位姿估計(jì)和地圖構(gòu)建。

本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn)：一種基于激光雷達(dá)的室外三維同步定位與建圖方法，具體包括以下步驟：

利用激光雷達(dá)獲取周圍環(huán)境的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除離群點(diǎn)，并進(jìn)行地面分割，提取地面點(diǎn)集合；

分別從地面點(diǎn)集合和非地面點(diǎn)集合中提取邊緣特征點(diǎn)和平面特征點(diǎn)；

利用提取到的邊緣特征點(diǎn)和平面特征點(diǎn)，通過點(diǎn)到邊線和點(diǎn)到平面的掃描匹配，建立相鄰兩次掃描之間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，完成運(yùn)動(dòng)估計(jì)；

將提取到的邊緣特征點(diǎn)和平面特征點(diǎn)匹配到周圍的點(diǎn)云圖中，進(jìn)一步優(yōu)化位姿變換；

利用回環(huán)檢測(cè)算法減少累積漂移誤差，實(shí)現(xiàn)位姿估計(jì)和地圖構(gòu)建。

進(jìn)一步地，所述利用激光雷達(dá)獲取周圍環(huán)境的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)具體為：

在移動(dòng)小車平臺(tái)上搭載多線激光雷達(dá)，并使小車勻速行駛，利用激光雷達(dá)獲取周圍環(huán)境的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除離群點(diǎn)，并進(jìn)行地面分割，提取地面點(diǎn)集合具體包括以下步驟：

步驟S21：使用距離濾波器去除有效范圍外無用的點(diǎn)云，并利用體素網(wǎng)格濾波器對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行下采樣，完成對(duì)噪聲點(diǎn)和離群點(diǎn)的剔除；