基于摆动激光雷达的室内三维点云地图生成系统及方法与流程

本发明涉及一种三维点云地图生成系统，具体地，设计的是一种基于摆动激光雷达的室内点云地图生成系统及方法。

背景技术：

随着机器人在室内服务、环境救灾、测绘服务等领域的广泛发展，建立室内环境的三维空间地图已经成为移动机器人的一项很重要的功能。而建立高精度三维地图往往面临着高精度空间数据的获取、机器人位姿估计以及后期的地图优化等具体问题。

目前，在移动机器人通常的室内三维环境建图方案中，通常采用多传感器融合的方式，比如使用里程计、惯导(IMU)、全球定位系统(GPS)、激光雷达、双目摄像头等传感器进行数据融合进行移动平台位姿估计并同时建图，其系统设计与融合算法设计一般比较复杂，而为得到更为可靠、精度更高的数据往往需要增加传感器的设备成本投入。另外，为获得较高精度和密度的三维数据，激光雷达通常是固定安装于移动平台，通过扫描帧的累加完成三维建图，这种方式不仅效率低，而且建图精度在较大尺寸的室内环境中也变得不可靠，数据密度也因为依赖于移动平台的速度而通常比较低。

此外，也可以通过视觉里程计的方式(VO，visual odometry)推算估计出机器人的位姿。不过这种方式对三维扫描数据精度、数据量及其相应的处理算法依赖很大。

经检索，公开号为CN 104573733A、申请号为201410838713.5的发明专利申请，该专利公开一种基于高清正射影像图的高精细地图生成系统及方法，该系统包括：图像拍摄模块、水平激光雷达、GPS处理模块、惯性导航模块、旋转编码器、图像及数据预处理模块以及地理信息处理模块，其中：运用车载图像拍摄模块采集道路图像，用激光雷达扫描障碍物，同时采集地理信息数据；对GPS信息进行精度上的优化；获得道路图像的正射影像图，并进行旋转、裁剪、生成对应地理信息文件操作；将全正射影像图序列与对应的地理信息文件结合并拼接，生成全局地图底图；在地图底图上标注各类地理信息数据。该项发明可以用于生成信息丰富的地图数据，但存在系统庞杂、冗余、部署比较繁琐、传感器成本较高、数据融合过程的具体处理较多、地图数据仅为二维形式等不足。

技术实现要素：

基于对以上问题的分析，本发明的目的是提供一种低成本、易于移植、便于实施、建图精确可靠的基于摆动激光雷达的室内三维点云地图生成系统及方法，生成的地图可直接应用于室内机器人平台的导航和定位。

为达到以上目的，本发明的技术方案如下所述：

根据本发明的一个方面，提供一种基于摆动激光雷达的室内三维点云地图生成系统，包括：三维点云数据采集模块和数据处理模块；

所述三维点云数据采集模块，作为点云数据的采集设备，用于采集室内三维点云原始数据，包括激光雷达扫描数据和激光雷达摆动角度数据，并将其发送给数据处理模块；

所述数据处理模块，作为点云数据的处理、存储设备，用于将接收到的室内三维点云原始数据生成室内三维点云数据，并将室内三维点云数据拼接生成室内点云地图并存储；

其中：

所述三维点云数据采集模块包括激光雷达和摆动执行机构，激光雷达用于采集移动平台周围环境的扫描轮廓数据，并将采集到的扫描轮廓数据发送给数据处理模块；摆动执行机构用于搭载激光雷达并驱动激光雷达往复摆动，并将激光雷达摆动角度数据发送给数据处理模块；

所述数据处理模块包含主控计算机、三维点云重构子模块和三维地图重建子模块，主控计算机用于接收激光雷达摆动角度数据、激光雷达扫描轮廓数据，并向三维点云数据采集模块的摆动执行机构发送扫描开始、停止扫描指令，采集结束后，三维点云重构子模块进行三维点云重构，三维地图重建子模块进行三维地图重建，完成三维点云地图的创建。

优选地，所述摆动执行机构，运动方式为：以过激光雷达扫描平面和平面中心的直线为旋转轴的转动；

对于多线激光雷达，过激光雷达扫描平面为：过扫描中心且垂直于激光雷达激光头旋转轴轴向的平面。

优选地，所述激光雷达在摆动执行机构上的安装，要求激光雷达的扫描平面不受摆动执行机构所遮挡。

优选地，所述三维点云数据采集模块接收数据处理模块的扫描开始指令后，向数据处理模块发送激光雷达数据帧以及与数据帧对应的激光雷达摆动角度数据，三维点云重构子模块根据摆动角度数据将激光雷达数据帧还原为三维点云数据。

优选地，所述三维地图重建子模块，包括：基于水平面维度配准的正态分布变换的前端算法子模块和基于图优化算法的后端算法子模块；其中：

所述前端算法子模块，用于相邻采样三维点云数据间的配准，生成开环三维点云地图；

所述后端算法子模块，用于优化前端算法子模块的结果即开环三维点云地图，矫正开环误差。

更优选地，所述相邻采样三维点云数据，是指：不在同一地点、时间上先后扫描的三维点云数据，该数据有大部分的空间重叠。

更优选地，所述三维地图重建子模块实时对三维点云数据进行处理，所述前端算法子模块在每获得一个三维点云数据帧进行一次，所述后端算法子模块在全部地图数据采集完毕后进行。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于摆动激光雷达的室内三维点云地图生成方法，包括如下步骤：

步骤1：数据处理模块从三维点云数据采集模块获得一个周期的激光雷达原始数据序列和与之对应的摆动角度数据序列，采用三维点云重构算法后生成一个三维点云数据帧；

步骤2：数据处理模块每从步骤1得到一个三维点云数据帧即采用前端开环配准算法，将新的三维数据帧与前一个数据帧进行配准，其中第一帧三维点云作为地图原点除外，直到完成全部室内三维点云数据的配准，其中涉及三维点云的水平面维度配准的正态分布变换算法；

步骤3：完成步骤2后获得室内环境的开环三维点云地图，数据处理模块采用后端算法对开环三维点云地图进行全局优化，其中涉及图优化算法，生成高精度室内三维点云地图。

优选地，所述数据处理模块将步骤3生成的高精度室内三维点云地图全部存储，以便作为离线地图包供其他应用直接使用。

与现有技术相比，本发明有如下有益效果：

1、本发明结构简单、安装灵活、易于实施、性价比高；

2、本发明不需要其他位姿测量的传感器辅助；

3、本发明使用激光雷达做为测量传感器，数据精度高、距离远，而实施摆动扫描方案让点云数据更加密集，点云地图更为可靠；

4、用本发明生成的三维点云地图可以存储后作为离线地图数据直接应用于室内导航定位的各种应用场合。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所做的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的系统结构框图；

图2为本发明一实施例的三维点云数据采集模块中激光雷达摆动扫描的空间轮廓；

图3为本发明一实施例的激光雷达摆动扫描结构示意图；

图4为本发明一实施例的生成的点云示意图；

图中：1为激光雷达扫描射线；2为激光雷达扫描下界；3为激光雷达扫描上界；4为激光雷达扫描面轮廓线；5为激光雷达扫描面摆动的顺时针两侧边缘；6为激光雷达扫描面摆动的逆时针两侧边缘；7为激光雷达；8为摆动执行机构。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-3所示，本实施例提供一种基于摆动激光雷达的室内三维点云地图生成系统，所述系统包括三维点云数据采集模块和数据处理模块，其中：

所述三维点云数据采集模块包括激光雷达7和摆动执行机构8，摆动执行机构8搭载激光雷达7并驱动光雷达7往复摆动；

所述摆动执行机构8与数据处理模块之间通过通用异步收发传输器(UART)进行通信，摆动执行机构8接收数据处理模块发出的开始/停止扫描指令，并向数据处理模块中的主控计算机发送激光雷达摆动角度数据；

所述激光雷达7与数据处理模块之间通过数据线相连，所述激光雷达7用于采集移动平台周围室内环境的轮廓数据，并将采集到的扫描轮廓数据发送给数据处理模块；

所述数据处理模块将接收到的轮廓数据融合激光雷达摆动角度数据，生成室内三维点云数据帧，室内三维点云的一个具体效果如图4所示。

本实施例中，数据采集的过程在室内环境中不同地点多次进行，从而可以得到室内三维点云数据帧序列。

本实施例中，所述数据处理模块应用基于摆动激光雷达7的室内三维点云地图生成方法完成室内三维点云地图的生成。

作为一种优选方式，所述激光雷达7采用UTM-30LX。

作为一种优选方式，所述三维点云数据采集模块竖直安装在移动平台上，且移动平台在不同位置采集三维点云数据的过程中保持水平运动。

作为一种优选方式，所述三维点云数据采集模块在进行过程中移动平台保持静止。

作为一种优选方式，图3中激光雷达7的初始位置设定在如图2中所示的激光雷达扫描面(由激光雷达扫描下界2、激光雷达扫描上界3和激光雷达扫描面轮廓线围成的平面)的激光雷达扫描面摆动的顺时针两侧边缘5或激光雷达扫描面摆动的逆时针两侧边缘6；所述激光雷达7采样移动平台周围室内轮廓线的过程即图2中激光雷达扫描射线1在激光雷达扫描下界2、激光雷达扫描上界3中转过形成移动平台周围室内环境轮廓线，即激光雷达扫描面轮廓线4；所述激光雷达扫描面摆动的顺时针两侧边缘5和激光雷达扫描面摆动的逆时针两侧边缘6之间单向摆动一次为一个摆动周期(即三维点云数据采样周期)，每个周期内可以得到一帧由移动平台周围室内环境轮廓线的扫描帧序列和激光雷达摆动角度数据的角度序列所生成的室内三维点云数据帧，如图4所示为室内三维点云数据帧的一个效果。

作为一种优选方式，每个摆动周期内，所述激光雷达7将其每一扫描平面的各个扫描点位置数据通过数据线发送给数据处理模块，数据处理模块同时从摆动执行机构8获得一个对应摆动角度值，进行三维点云重构程序生成空间点云。

作为一种优选方式，所述摆动执行机构7只在接收到数据处理模块发出的开始扫描的控制指令后开始运动，在接收到数据处理模块发出的停止扫描的指令后停止运动，并且在此期间向数据处理模块提供激光雷达摆动角度数据，激光雷达摆动角度数据与激光雷达扫描数据帧在时间上一一对应。

如图1所示，所述数据处理模块通过如下步骤完成地图生成：

步骤1：在摆动执行机构完成一个周期的运动后，数据处理模块从三维点云数据采集模块获得一个周期的激光雷达扫描帧序列和与之对应的摆动角度序列，进行三维点云重构程序后生成一帧三维点云数据；

步骤2：移动平台载所述系统在室内沿某轨迹在不同位置连续完成一系列摆动扫描后，通过步骤1生成三维点云帧序列，数据处理模块每从步骤1得到一个三维点云数据帧即进行前端开环配准算法，将新的三维数据帧与前一个数据帧进行配准(第一帧三维点云作为地图原点除外)，直到完成全部室内三维点云数据的配准，其中涉及三维点云的水平面维度配准的正态分布变换算法；

步骤3：完成步骤2后获得室内环境的开环三维点云地图，数据处理模块进行后端算法对开环三维点云地图进行全局优化，其中涉及图优化算法，生成高精度室内三维点云地图；

步骤4：最后，数据处理模块将步骤3生成的高精度室内三维点云地图全部存储，以便作为离线地图包供其他应用直接使用。

本发明结构简单、易于实施、性价比高，生成的点云地图数据密集、精度高，生成的三维点云地图可以直接应用于室内导航定位的各种应用场合。

以上对本发明的优选实施例进行了详细描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形、替代或修改，这并不影响本发明的实质内容，本发明的保护范围应如权利要求书所列。