基于一线激光雷达的三维点云地图生成方法及系统与流程

本发明涉及地图构建技术领域，尤其涉及一种基于一线激光雷达的三维点云地图生成方法及系统。

背景技术：

导航定位地图是室内机器人正常运行的基础和重点之一。由于成本问题，目前主流的室内机器人没有配备多线激光雷达，而是使用一线激光雷达绘制地图和导航定位。由于一线激光雷达只有一束扫描测量数据，该传感器绘制的地图局限在二维空间里，即只有一个平面。

然而配备有多线激光雷达的机器人如果要同时与只装有一线激光雷达的机器人部署到同一场景内，会有以下几点问题：首先，由于其传感器得到的点云数据是三维的，导致昂贵的传感器不能在二维地图里充分发挥其价值和作用；另外，目前没有一个有效的算法能融合多线激光雷达和一线激光雷达的数据统一绘制出符合定位要求的地图，而分别使用适配于两种激光雷达的算法独立建立出的两个地图又不能很好的配准在一起。

其次，二维栅格地图由于其只适用于机器人的定位，有限的信息量并不能很好的被人类直观的理解，其保存的地图信息也及其有限。

目前存在一种技术，可以只用一个一线激光雷达配合一个带有编码器的电机，便可以建立出三维地图。但是这种技术建立出的地图并不能被只配备一线激光雷达的室内机器人使用，即该技术不能直接生成二维栅格地图。另外，该技术对电机精度要求非常高，所以提高了技术的门槛。最后，该技术所用的算法对计算机的性能要求较高，导致其绘制地图的时间大打折扣。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种基于一线激光雷达的三维点云地图生成方法及系统，可以利用两个一线激光雷达，在绘制出二维栅格地图的同时生成三维点云地图，可以保证两个地图在一个统一的坐标系下，可以实现在同一场景下装配有不同激光雷达的机器人在统一的地图中导航定位。

本发明实施例第一方面提供了一种基于一线激光雷达的三维点云地图生成方法，可包括：

对两个一线激光雷达进行雷达标定，获取标定后的标定信息，雷达标定包括相对空间位置标定和时间标定，两个一线激光雷达为水平安装的第一雷达和竖直安装的第二雷达；

采用第一雷达定位载体在二维坐标系中的位姿信息，位姿信息为载体在不同时间点的位置和姿态信息；

采用第二雷达采集载体水平运行中在三维坐标系中的三维空间信息；

基于标定信息将位姿信息融合至三维空间信息中，生成同时适用于二维坐标系和三维坐标系的三维点云地图。

进一步的，上述方法还包括：

基于载体的移动状态，检测两个一线激光雷达的发布数据是否重合；

在检测两个一线激光雷达的发布数据重合时，记录发布数据的时间戳；

以时间戳对两个一线激光雷达进行时间标定。

进一步的，上述相对空间位置的标定为标定第一雷达与第二雷达的之间的垂直关系。

进一步的，上述采用第一雷达定位载体在二维坐标系中的位姿信息，包括：

在载体运动的过程中，采用slam算法生成第一雷达的激光点云在二维坐标系的中的二维栅格地图，二维栅格地图中包含载体在不同时间点的位置和姿态信息。

进一步的，上述基于标定信息将位姿信息融合至三维空间信息中，生成同时适用于二维坐标系和三维坐标系的三维点云地图，包括：

基于标定信息确定三维空间信息中与二维栅格地图指示的二维平面相垂直的一维信息；

采用一维信息对二维栅格地图进行切片式立体扫描，生成同时适用于二维坐标系和三维坐标系的三维点云地图。

本发明实施例第二方面提供了一种基于一线激光雷达的三维点云地图生成系统，可包括：

雷达标定模块，用于对两个一线激光雷达进行雷达标定，获取标定后的标定信息，雷达标定包括相对空间位置标定和时间标定，两个一线激光雷达为水平安装的第一雷达和竖直安装的第二雷达；

二维空间定位模块，用于采用第一雷达定位载体在二维坐标系中的位姿信息，位姿信息为载体在不同时间点的位置和姿态信息；

三维信息采集模块，用于采用第二雷达采集载体水平运行中在三维坐标系中的三维空间信息；

三维地图生成模块，用于基于标定信息将位姿信息融合至三维空间信息中，生成同时适用于二维坐标系和三维坐标系的三维点云地图。

进一步的，上述系统还包括：

数据检测模块，用于基于载体的移动状态，检测两个一线激光雷达的发布数据是否重合；

时间戳记录模块，用于在检测两个一线激光雷达的发布数据重合时，记录发布数据的时间戳；

雷达标定模块，具体用于以时间戳对两个一线激光雷达进行时间标定。

进一步的，上述相对空间位置的标定为标定第一雷达与第二雷达的之间的垂直关系。

进一步的，上述二维空间定位模块，具体用于在载体运动的过程中，采用slam算法生成第一雷达的激光点云在二维坐标系的中的二维栅格地图，二维栅格地图中包含载体在不同时间点的位置和姿态信息。

进一步的，上述三维地图生成模块包括：

垂直信息确定单元，用于基于标定信息确定三维空间信息中与二维栅格地图指示的二维平面相垂直的一维信息；

三维地图生成单元，用于采用一维信息对二维栅格地图进行切片式立体扫描，生成同时适用于二维坐标系和三维坐标系的三维点云地图。

在本发明实施例中，通过利用两个一线激光雷达，在绘制出二维栅格地图的同时生成三维点云地图，保证了两个地图在一个统一的坐标系下，实现了在同一场景下装配有不同激光雷达的机器人在统一的地图中导航定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明实施例提供的一种基于一线激光雷达的三维点云地图生成方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于一线激光雷达的三维点云地图生成系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的三维地图生成模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明实施例提供的基于一线激光雷达的三维点云地图生成方法可以应用于兼顾价格成本和技术成本，生成用于装配有不同传感器的机器人导航定位的地图的应用场景中。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，上述系统中除两个一线激光雷达外，还需要一个6轴惯性导航单元imu，其中，两个一线激光雷达要将其坐标框架独立区分开，一个激光雷达水平安装，用于定位；另外一个一线激光雷达竖直安装，并且保持与载体的前进方向垂直，用于采集三维空间的信息。惯性导航单元尽量与用于定位的激光雷达的安装位置保持一致，即使两个传感器处于同一坐标框架下。另外，采集数据的载体必须保持水平移动，例如，轮式机器人。

下面将结合附图1，对本发明实施例提供的基于一线激光雷达的三维点云地图生成方法进行详细介绍。

请参见图1，为本发明实施例提供了一种基于一线激光雷达的三维点云地图生成方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例的所述方法可以包括以下步骤s101-步骤s104。

s101，对两个一线激光雷达进行雷达标定，获取标定后的标定信息。

具体的，上述系统可以对两个一线激光雷达进行雷达标定，获取标定后的标定信息，上述雷达标定可以包括相对空间位置的标定和时间标定，两个一线激光雷达可以为水平安装的第一雷达和竖直安装的第二雷达。可以理解的是，通过雷达标定可以保证在构建地图之前，两个一线激光雷达是相互垂直的，且二者发布激光数据的时间也是同步的。

需要说明的是，相对空间位置的标定需要将传感器的载体放置于有特殊结构的空间场景下，例如有三个垂直面的墙角，通过不断的移动载体的位置，观察两个激光雷达的实时数据并随时调整配置文件中位置姿态的参数。针对时间标定，需要载体保持匀速的运动，上述系统可以检测移动状态下两个一线激光雷达的发布数据是否重合，若重合，可以记录此时的时间戳，然后根据该时间戳进行时间标定，即同时修改激光雷达发布数据的时间戳。

s102，采用第一雷达定位载体在二维坐标系中的位姿信息。

具体的，上述系统可以采用第一雷达定位载体在二维坐标系中的位姿信息，可以理解的是，上述位姿信息可以包括载体在不同时间点的位置和姿态信息。

在可选实施例中，在载体运动的过程中，上述系统可以采用slam算法生成第一雷达的激光点云在二维坐标系的中的二维栅格地图，该二维栅格地图中包含载体在不同时间点的位置和姿态信息，相当于上述位姿信息。例如，在根据第一雷达进行局部定位时，采用激光点云scanmatch扫描匹配的手段，并记录固定位移或时间量中的定位信息和对应激光点云生成的地图片段。可选的，上述系统可以对比两个相邻的地图片段的重合度，进行最优化处理，以缓解scanmatch的漂移问题。可选的，地图片段还用于闭环检测，如果有闭环，再对闭环中的各个地图片段的位置做最优化处理，最终将计算好的载体各个时间点的位置和姿态信息保存在一个文件中。

s103，采用第二雷达采集载体水平运行中在三维坐标系中的三维空间信息。

具体的，上述系统可以采用第二雷达采集载体水平运行中在三维坐标系中的三维空间信息。

s104，基于标定信息将位姿信息融合至三维空间信息中，生成同时适用于二维坐标系和三维坐标系的三维点云地图。

具体的，上述系统可以基于标定信息将位姿信息融合至三维空间信息中，生成同时适用于二维坐标系和三维坐标系的三维点云地图，相当于将二维栅格地图与三维空间信息进行拼接。可选的，上述系统可以基于标定信息确定三维空间信息中与上述二维栅格地图指示的二维平面相垂直的一维信息，然后采用该一维信息对二维栅格地图进行切片式立体扫描，生成三维点云地图。

在本发明实施例中，通过利用两个一线激光雷达，在绘制出二维栅格地图的同时生成三维点云地图，保证了两个地图在一个统一的坐标系下，实现了在同一场景下装配有不同激光雷达的机器人在统一的地图中导航定位。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

下面将结合附图2和附图3，对本发明实施例提供的基于一线激光雷达的三维点云地图生成系统进行详细介绍。需要说明的是，附图2和附图3所示的基于一线激光雷达的三维点云地图生成系统，用于执行本发明图1所示实施例的方法，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本发明图1所示的实施例。

请参见图2，为本发明实施例提供了一种基于一线激光雷达的三维点云地图生成系统的结构示意图。如图2所示，本发明实施例的地图生成系统1可以包括：雷达标定模块11、二维空间定位模块12、三维信息采集模块13、三维地图生成模块14、数据检测模块15和时间戳记录模块16。其中，三维地图生成模块14如图3所示，包括垂直信息确定单元141和三维地图生成单元142。

雷达标定模块11，用于对两个一线激光雷达进行雷达标定，获取标定后的标定信息。

具体实现中，雷达标定模块11可以对两个一线激光雷达进行雷达标定，获取标定后的标定信息，上述雷达标定可以包括相对空间位置的标定和时间标定，两个一线激光雷达可以为水平安装的第一雷达和竖直安装的第二雷达。可以理解的是，通过雷达标定可以保证在构建地图之前，两个一线激光雷达是相互垂直的，且二者发布激光数据的时间也是同步的。

需要说明的是，相对空间位置的标定需要将传感器的载体放置于有特殊结构的空间场景下，例如有三个垂直面的墙角，通过不断的移动载体的位置，观察两个激光雷达的实时数据并随时调整配置文件中位置姿态的参数。针对时间标定，需要载体保持匀速的运动，数据检测模块15可以检测移动状态下两个一线激光雷达的发布数据是否重合，若重合，时间戳记录模块16可以记录此时的时间戳，然后雷达标定模块11根据该时间戳进行时间标定，即同时修改激光雷达发布数据的时间戳。

二维空间定位模块12，用于采用第一雷达定位载体在二维坐标系中的位姿信息。

具体实现中，二维空间定位模块12可以采用第一雷达定位载体在二维坐标系中的位姿信息，可以理解的是，上述位姿信息可以包括载体在不同时间点的位置和姿态信息。

在可选实施例中，在载体运动的过程中，二维空间定位模块12可以采用slam算法生成第一雷达的激光点云在二维坐标系的中的二维栅格地图，该二维栅格地图中包含载体在不同时间点的位置和姿态信息，相当于上述位姿信息。例如，在根据第一雷达进行局部定位时，采用激光点云scanmatch扫描匹配的手段，并记录固定位移或时间量中的定位信息和对应激光点云生成的地图片段。可选的，上述系统可以对比两个相邻的地图片段的重合度，进行最优化处理，以缓解scanmatch的漂移问题。可选的，地图片段还用于闭环检测，如果有闭环，再对闭环中的各个地图片段的位置做最优化处理，最终将计算好的载体各个时间点的位置和姿态信息保存在一个文件中。

三维信息采集模块13，用于采用第二雷达采集载体水平运行中在三维坐标系中的三维空间信息。

具体实现中，三维信息采集模块13可以采用第二雷达采集载体水平运行中在三维坐标系中的三维空间信息。

三维地图生成模块14，用于基于标定信息将位姿信息融合至三维空间信息中，生成同时适用于二维坐标系和三维坐标系的三维点云地图。

具体实现中，三维地图生成模块14可以基于标定信息将位姿信息融合至三维空间信息中，生成同时适用于二维坐标系和三维坐标系的三维点云地图，相当于将二维栅格地图与三维空间信息进行拼接。可选的，垂直信息确定单元141可以基于标定信息确定三维空间信息中与上述二维栅格地图指示的二维平面相垂直的一维信息，然后三维地图生成单元142可以采用该一维信息对二维栅格地图进行切片式立体扫描，生成三维点云地图。

在本发明实施例中，通过利用两个一线激光雷达，在绘制出二维栅格地图的同时生成三维点云地图，保证了两个地图在一个统一的坐标系下，实现了在同一场景下装配有不同激光雷达的机器人在统一的地图中导航定位。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。