基于传感器融合的旋转激光实时定位建模系统及方法与流程

技术特征：
1.一种基于传感器融合的旋转激光实时定位建模系统，其特征在于：系统包括三维激光雷达、imu惯性测量单元、激光雷达驱动器、云台电机、感知处理单元、电源模块、通信模块和底层控制器；所述三维激光雷达与imu惯性测量单元固定连接后利用连接件与所述云台电机进行连接，使得云台电机带动固定连接好的三维激光雷达与imu惯性测量单元一起旋转；所述激光雷达驱动器负责将激光雷达原始数据处理，然后通过rj45接口发送给感知处理单元；所述感知处理单元通过其内部运行的定位与建图系统算法程序，对三维激光雷达与imu惯性测量单元的数据进行处理，并通过通信模块采用无线通讯的方式实现与远程交互端的信息交互；所述底层控制器包括微控制单片机和电平转换模块，微控制单片机的控制信号经电平转换模块转换后发送到云台电机，实现对云台电机的工作模式以及具体参数的控制；所述电源模块通过外接直流源来实现，并通过降压处理模块实现对三维激光雷达、云台电机、通信模块的供电。2.根据权利要求1所述的基于传感器融合的旋转激光实时定位建模系统，其特征在于：所述感知处理单元、激光雷达驱动器与固定连接好的三维激光雷达与imu惯性测量单元之间通过滑环连接，避免转动带来的线路缠绕；所述固定连接好的三维激光雷达与imu惯性测量单元连接滑环转子，所述感知处理单元与激光雷达驱动器连接滑环定子。3.根据权利要求1所述的基于传感器融合的旋转激光实时定位建模系统，其特征在于：所述微控制单片机通过电平转换模块将ttl电平的控制信号转换为485电平传输给云台电机。4.根据权利要求1所述的基于传感器融合的旋转激光实时定位建模系统，其特征在于：所述imu惯性测量单元通过usb连接的方式与所述感知处理单元进行数据传输，用于反馈imu惯性测量单元的数据。5.采用权利要求1至4中任意一项所述的基于传感器融合的旋转激光实时定位建模系统进行建模的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：对相对位置固定的三维激光雷达与imu惯性测量单元进行空间位置标定，得到三维激光雷达与imu惯性测量单元各自坐标系之间的相对位置变换，即外参变换；步骤2：利用imu惯性测量单元的输出数据对三维激光雷达的点云数据去畸变处理，去除三维激光雷达点云由于装置运动产生的运动畸变；步骤3：对去运动畸变处理后的激光点云数据进行特征提取和特征匹配，实现对装置运动姿态的实时估计；步骤4：基于装置运动姿态的估计，将激光点云数据进行拼接，从而得到基于三维激光雷达采样数据的周围环境模型，得到物理环境对应的三维点云地图，实现对环境的实时三维重建。6.根据权利要求5所述的基于传感器融合的旋转激光实时定位建模系统进行建模的方法，其特征在于：所述步骤2的过程如下：步骤2.1：将三维激光雷达数据中第一个激光点对应时刻的位姿作为当前激光帧的位
姿步骤2.2：当前帧激光中任意一激光点所对应时刻为t
c
，其中时刻t
c
是全局下的绝对时间，用于和imu惯性测量单元输出数据的时间标准一致；由于激光雷达和imu的数据频率不同，所以无法直接找到当前时刻激光点的imu数据，因此对imu惯性测量单元输出数据进行插值处理：查找时刻t
c
前后两帧imu惯性测量单元输出数据，相应的imu位姿分别为计算时刻t
c
和前后两帧imu数据时间的时间比值，前后两帧imu数据时间为t
i
、t
i 1
，时刻t
c
相对于前后两帧imu数据时间的时间比值分别为和相应当前时刻对应的imu位姿为：步骤2.3：由于三维激光雷达和imu惯性测量单元进行固定连接，因此三维激光雷达和imu惯性测量单元具有相同的运动变化，通过当前时刻激光点的imu位姿乘以步骤1得到的外参变换，从而得到当前时刻的激光点位姿；其中，为三维激光雷达和imu惯性测量单元的外参变换；步骤2.4：计算当前激光点转换到当前激光帧坐标系下的变换：从而消除装置运动产生的运动畸变。7.根据权利要求5所述的基于传感器融合的旋转激光实时定位建模系统进行建模的方法，其特征在于：所述步骤3的过程如下：步骤3.1：获取去运动畸变处理后的激光点云数据所在激光线的线束标号，选取当前激光点周围同一标号上一定数量的激光点，来计算当前激光点附近的曲率：其中，表示三维激光雷达坐标系下第k帧激光中，当前第i个激光点的三维坐标，相应是第i个激光点周围第j个激光点的三维坐标，m为周围点集；步骤3.2：将计算的曲率作为激光点云数据的特征，将当前帧激光提取得到的特征，和上一帧激光做特征匹配，计算当前帧激光相对于上一帧的运动状态。8.根据权利要求7所述的基于传感器融合的旋转激光实时定位建模系统进行建模的方法，其特征在于：所述将计算的曲率作为激光点云数据的特征具体分为直线特征和平面特征两类；将曲率值大的归为直线特征点，曲率值小的归为平面特征点；所述特征匹配的过程为：将当前帧提取得到的直线特征点和上一帧的直线特征点进行匹配，当前帧的平面特征点和上一帧的平面特征点进行匹配。9.根据权利要求8所述的基于传感器融合的旋转激光实时定位建模系统进行建模的方
法，其特征在于：所述计算当前帧激光相对于上一帧的运动状态的过程为：s1：基于imu的测量数据，计算得到两帧间的相对变换，以imu计算的相对变换作为初始值，将当前帧特征点转换到上一帧坐标系下；s2：当前帧中的直线特征点，上一帧直线特征点中寻找距离其最近的两个特征点，计算当前帧激光点到相应两个最近特征点构成直线的距离d
l
；当前帧平面特征点，在上一帧平面特征点中寻找距离其最近的三个特征点，计算当前帧平面特征点到相应最近三个特征点构成平面的距离d
p
；s3：将上述计算的距离问题，转换为当前帧激光位姿使匹配距离值最小的一个非线性最小二乘问题，因此通过将匹配的距离值进行趋于零的迭代优化，求解得到两帧间的运动变化，从而得出里程计的运动估计。10.根据权利要求5所述的基于传感器融合的旋转激光实时定位建模系统进行建模的方法，其特征在于：所述步骤4的过程如下：步骤4.1：将三维激光雷达点云基于里程计数据进行拼接，获得所在环境的局部特征点云地图，从而实时进行地图构建；步骤4.2：为了消除一定的里程计累积误差，进行激光帧与局部地图的地图匹配，优化里程计的位姿估计值；将局部特征点云地图进行体素降采样处理，同时限制局部特征点云地图的范围，只选取特定长度空间范围的局部特征点云；步骤4.3：基于地图的匹配计算，将当前帧激光数据的特征点，和步骤4.2处理之后的局部特征点云地图进行匹配，减少由于里程计的运动估计带来的累积漂移；步骤4.4：考虑到基于特征地图匹配的计算复杂性，为了能够达到实时的运动估计，降低当前帧激光数据的特征点与地图的匹配执行频率，从而实现实时、高精度的三维地图重建。

技术总结
本发明公开一种基于传感器融合的旋转激光实时定位建模系统及方法，系统包括三维激光雷达、IMU惯性测量单元、激光雷达驱动器、云台电机、感知处理单元、电源模块、通信模块和底层控制器，通过电路连接组成的一个小型三维建模系统，系统可实现实时移动式旋转建模。系统方法是一种融合IMU信息的，旋转激光雷达的实时定位和建图方法，通过融合三维激光雷达和IMU数据，实现激光雷达点云的有效去畸变处理。同时通过将三维激光进行旋转的方式，扩大激光雷达的有效视野，提高视野特征提取和匹配的可靠性，同时增加地图点云密度，基于鲁棒、准确的位姿估计，从而可以实时构建周围环境稠密、高精度的点云地图。度的点云地图。度的点云地图。


技术研发人员：方正 高强 单佳瑶
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2021.07.23
技术公布日：2021/10/28