[发明专利]基于3D激光雷达测量的多分辨率、同时定位和地图绘制

说明书

本文提出了用于基于3D激光雷达图像数据的改进的同时定位和地图绘制的方法和系统。一方面，在特征检测之前对激光雷达图像帧进行分割和聚类，以提高计算效率，同时维持地图绘制和定位准确度。分割涉及在特征提取之前去除冗余数据。聚类涉及在特征提取之前将与类似对象相关联的像素分组在一起。在另一方面，基于与每个测量点相关联的测量的光学属性从激光雷达图像帧提取特征。特征点池包括与每个图像帧关联的低分辨率特征地图。随着时间的流逝，低分辨率特征地图被聚合以生成高分辨率特征地图。在另一方面，基于高分辨率特征地图缓慢地更新激光雷达测量系统在三维环境中的位置，并且基于低分辨率特征地图快速地更新激光雷达测量系统在三维环境中的位置。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2018年9月13日提交的标题为“Multiple Resolution,Simultaneous Localization And Mapping Based On 3-D LIDAR Measurements”的美国专利申请序列号16/130,610的优先权，该专利申请进而根据35 U . S . C §119要求于2017年9月13日提交的标题为“Multiple Resolution, Simultaneous Localization AndMapping Based On 3-D LIDAR Measurements”的美国临时专利申请序列号62/558,256的优先权，该临时专利申请的主题通过引用整体并入本文。

技术领域

所描述的实施例涉及基于激光雷达的3D点云测量系统，并且更具体地，涉及所测量环境的高效地图绘制和激光雷达测量系统的定位。

背景技术

激光雷达系统采用光脉冲来基于每个光脉冲的飞行时间（TOF）测量到物体的距离。从激光雷达系统的光源发射的光脉冲与远侧对象相互作用。一部分光从物体反射并返回到激光雷达系统的检测器。基于从发射光脉冲到检测到返回的光脉冲之间经过的时间，估计距离。在一些示例中，激光发射器生成光脉冲。光脉冲通过透镜或透镜组件聚焦。测量激光脉冲返回到安装在发射器附近的检测器所花费的时间。根据时间测量结果得出高准确度的距离。

一些激光雷达系统采用单个激光发射器/检测器组合，该组合与旋转反射镜组合以有效地跨平面进行扫描。由这样的系统执行的距离测量实际上是二维的（即平面的），并且捕获的距离点被呈现为2D（即单平面）点云。在一些示例中，旋转反射镜以非常快的速度旋转（例如，每分钟数千转）。

在许多操作场景中需要3D点云。许多方案已被用于在三个维度上询问周围环境。在一些示例中，通常在万向支架上上下和/或来回致动2D仪器。这在本领域中通常被称为使传感器“眨眼”或“点头”。因此，可以采用单射束激光雷达单元来捕获距离点的整个3D阵列，尽管一次捕获一个点。在相关示例中，采用棱镜将激光脉冲“划分”为多个层，每个层的竖直角度略有不同。这模拟了上述点头效果，但没有致动传感器本身。

在许多应用中，有必要在广阔的视场上进行察看。例如，在自主车辆应用中，竖直视场应尽可能向下延伸，以察看车辆前方的地面。此外，如果汽车进入道路的斜面，则竖直视场应延伸到地平线上方。另外，有必要使真实世界中发生动作与这些动作的成像之间的延迟最小。在一些示例中，期望提供每秒至少五次的完整图像更新。为了满足这些要求，已经开发了3D 激光雷达系统，3D 激光雷达系统包括具有多个激光发射器和检测器的阵列。该系统在2011年6月28日公布的美国专利号7,969,558中进行了描述，其主题通过引用整体并入本文。

在许多应用中，发射脉冲序列。每个脉冲的方向依次快速连续变化。在这些示例中，与每个个体脉冲相关联的距离测量可以被视为一个像素，并且快速连续发射和捕获的像素集合（即“点云”）可以被呈现为图像或出于其他原因（例如，检测障碍物）而被分析。在一些示例中，采用查看软件来将所得到的点云呈现为向用户显现三维的图像。可以使用不同的方案将距离测量结果描绘为3D图像，该3D图像显现为好像它们被实景相机捕获一样。