[发明专利]一种复杂城区环境中的高精度点云地图创建系统及方法

权利要求书

1.一种复杂城区环境中的高精度点云地图创建系统，其特征在于，包括里程计模块M1、回环检测模块M2、后端优化模块M3和地图生成模块M4；里程计模块M1、回环检测模块M2均连接到后端优化模块M3，后端优化模块M3连接地图生成模块M4，里程计模块M1连接回环检测模块M2；

里程计模块M1输入点云帧序列和IMU，输出障碍物点云、地面点云和里程计信息；回环检测模块M2输入障碍物点云帧序列和IMU，输出回环信息；后端优化模块M3输入里程计模块、回环检测模块和GPS，输出最优位姿；地图生成模块M4输入最优位姿、障碍物点云和地面点云，输出高精度点云地图。

2.根据权利要求1所述的一种复杂城区环境中的高精度点云地图创建系统，其特征在于，里程计模块M1包括语义分割模块M11和点云配准模块M12；语义分割模块M11用于将输入点云划分为空间栅格，通过栅格特征将点云划分为地面和障碍物两类；点云配准模块M12给定连续两帧、经语义分割的点云。

3.根据权利要求1所述的一种复杂城区环境中的高精度点云地图创建系统，其特征在于，回环检测模块M2包括全局特征筛选模块M21和局部特征筛选模块M22；全局特征筛选模块M22包括全局特征构建模块和特征匹配模块，全局特征构建模块的目标是对每帧点云构建全局特征；全局特征筛选模块M21计算每帧点云对应的全局特征，通过全局特征之间的匹配筛选得到回环的索引集合。

4.一种复杂城区环境中的高精度点云地图创建方法，其特征在于，基于权利要求1至3任意一项所述的一种复杂城区环境中的高精度点云地图创建系统，包括以下步骤：

步骤1，语义分割模块M11采用栅格图算法将单帧点云分割为地面点云和非地面点云

步骤2，点云配准模块M12输入两帧点云和IMU信息，输出两帧点云之间的刚性变换

步骤3，对输入的障碍物点云帧序列全局特征筛选模块M21计算每帧点云对应的全局特征h_i，通过全局特征之间的匹配筛选得到回环的索引集合

步骤4，局部特征筛选模块M22通过局部特征匹配对回环索引做精确地筛选，并计算回环对应的刚性变换；

步骤5，后端优化模块M3构造基于里程计、回环检测和稀疏GPS信号的目标函数，对回环检测和GPS施加基于L1范数的鲁棒函数以增强算法对外点的鲁棒性，优化目标函数得到点云序列的最优位姿；

步骤6，地图生成模块M4由最优位姿、地面点云帧序列和障碍物点云帧序列生成地面点云地图M_grd和障碍物点云地图M_obs，分别处理后合并为点云地图M。

5.根据权利要求4所述的一种复杂城区环境中的高精度点云地图创建方法，其特征在于，语义分割模块M11将输入点云划分为空间栅格，具体过程如下：

语义分割模块M11将原始的无序点云分为地面点云和障碍物点云；考虑到三维激光的扫描特性，给定水平角分辨率d_θ和径向距离分辨率d_r，可将无序点云分割为多个互不相交的栅格：

其中单个栅格是三维点集对中的单个点x_m，其栅格坐标计算如下：

其中是向上取整操作，θ_m,r_m是x_m的水平角和径向距离；

针对单个栅格计算其Z轴的高度差特征：

根据上述特征，构造地面点云和障碍物点云其中ε_h是阈值；按比例r构造新的点云