[发明专利]一种基于激光雷达的室外三维同步定位与建图方法

说明书

本发明提供了一种基于激光雷达的室外三维同步定位与建图方法，包括步骤：利用激光雷达获取周围环境的完整点云数据；对点云数据进行预处理，去除离群点，并进行地面分割，提取地面点集合；分别从地面点集合和非地面点集合中提取边缘特征点和平面特征点；利用提取到的边缘特征点和平面特征点，通过点到边线和点到平面的扫描匹配，建立相邻两次扫描之间点云数据的关联，完成运动估计；将提取到的边缘特征点和平面特征点匹配到周围的点云图中，进一步优化位姿变换；利用回环检测算法减少累积漂移误差，实现位姿估计和地图构建。本发明能够实现准确性更高、鲁棒性更强的建图。

技术领域

本发明涉及移动机器人的三维SLAM技术领域，特别是一种基于激光雷达的室外三维同步定位与建图方法。

背景技术

近年来，随着机器人技术的快速发展，机器人正在逐步走向完全自主化，而同步定位与建图是机器人能否真正实现完全自主化的关键技术之一。在移动机器人领域，如何实现对环境的良好感知是决定移动机器人能否广泛应用于实际问题的关键因素之一。常用的环境感知传感器主要有相机、激光雷达、声呐等，其中，相机和激光雷达是应用最广泛的两类传感器。目前，基于视觉传感器和激光传感器的技术都已经得到了很大的发展，但是由于视觉传感器受到环境光照条件的限制并且测量精度有限，在室外环境中的应用就受到限制。

激光雷达传感器具有测距精度高、受光线影响小、抗电磁干扰性强优点，因此在实际应用中备受青睐。尤其是在室外机器人领域，三维激光雷达已成为其必不可少的环境感知传感器。在园区等室外低速环境下，由于激光雷达采集数据的精度高且受外部因素如光照等影响较小，因此可以用于高精度地图构建、动态障碍物检测、路径规划、实时避障等，目前三维激光雷达已成为室外同步定位与建图领域的必备传感器。

与二维激光雷达相比，三维激光雷达的视野更广、数据测量密度更高，对三维环境的感知更加全面，因此在室外环境应用中三维激光雷达成为主流。另外，三维地图相较于二维地图而言，更能完整反映出环境的真实情况，在三维地图中能够实现对象识别，提供更可靠的定位和数据关联，还可以进行更精确的路径规划，为在特殊环境下如崎岖地形、上下坡等环境的导航提供了可能性。因此在室外环境下实现三维同步定位与建图具有十分重要的意义。目前，使用激光雷达实现室外三维同步定位与建图成为当前研究的热点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于激光雷达的室外三维同步定位与建图方法，能够实现精度更高、鲁棒性更强的位姿估计和地图构建。

本发明采用以下方案实现：一种基于激光雷达的室外三维同步定位与建图方法，具体包括以下步骤：

利用激光雷达获取周围环境的完整点云数据；

对点云数据进行预处理，去除离群点，并进行地面分割，提取地面点集合；

分别从地面点集合和非地面点集合中提取边缘特征点和平面特征点；

利用提取到的边缘特征点和平面特征点，通过点到边线和点到平面的扫描匹配，建立相邻两次扫描之间点云数据的关联，完成运动估计；

将提取到的边缘特征点和平面特征点匹配到周围的点云图中，进一步优化位姿变换；

利用回环检测算法减少累积漂移误差，实现位姿估计和地图构建。

进一步地，所述利用激光雷达获取周围环境的完整点云数据具体为：

在移动小车平台上搭载多线激光雷达，并使小车匀速行驶，利用激光雷达获取周围环境的完整点云数据。

进一步地，所述对点云数据进行预处理，去除离群点，并进行地面分割，提取地面点集合具体包括以下步骤：

步骤S21：使用距离滤波器去除有效范围外无用的点云，并利用体素网格滤波器对点云进行下采样，完成对噪声点和离群点的剔除；