[发明专利]用于实时建图与定位的方法和装置

权利要求书

1.一种用于环境的实时建图、定位和变化分析的方法，包括以下步骤：

(A)如果没有所述环境的3D参考图，通过以下构建所述环境的3D参考图

(a)用移动实时激光测距扫描仪(1)以每秒至少5帧的速率获取所述环境以提供3D扫描仪数据，

(b)使用所述3D扫描仪数据为所述激光测距扫描仪(1)的多个姿态中的每一个构建地图表示，每个姿态具有由所述3D扫描仪数据限定的相关联的点云，所述地图表示具有被配置用于对其的恒定时间随机样本访问、快速最近邻居搜索以及对大区域的可扩展性的数据结构，其中，所述数据结构被设置成本地处理3D点并基于由稀疏体素化结构组成的混合结构，所述稀疏体素化结构用于索引所述地图表示中的特征的紧凑密集列表，允许独立于所述地图大小的体素坐标中的恒定时间随机访问，以及在探索空间上具有可扩展性的数据的有效存储，以及

(c)使用所述地图表示为所述环境建立所述3D参考图，所述3D参考图使用3D同步定位与建图(3D SLAM)框架，所述建立包括

(i)使用里程计模块，基于最后的点云到局部地图表示的配准来估计所述激光测距扫描仪(1)的当前姿态，

(ii)使用局部轨迹优化模块，改善点云集的轨迹，以便使所述局部地图表示中的漂移最小化，以及

(iii)考虑轨迹的环路闭合，通过重新构建所述环境的整个地图来离线地执行全局轨迹优化，由此形成所述3D参考图；以及

(B)基于所述环境的现有3D参考图，通过以下执行所述环境的实时建图、定位和变化分析

(d)用移动实时激光测距扫描仪(1)以每秒至少5帧的速率获取所述环境以提供3D扫描仪数据，

(e)在位置识别期间，在没有所述激光测距扫描仪姿态的先前知识的情况下在位置识别期间识别出在所述环境内所述激光测距扫描仪(1)的当前位置，并且在场景内使用减少的搜索空间预先计算通过所述激光测距扫描仪(1)获取的场景的简单且紧凑的描述符，以便实时自定位所述扫描仪，所述场景的每个描述符包括常规组的范围图像，其中每个组具有估计的中值范围值，

(f)在确定所述扫描仪在所述环境中的定位之后，通过在所述环境的现有3D参考图内配准当前扫描仪数据，使用采用包括所述数据结构中的最近邻居信息的数据的标准迭代最近点方法，跟踪所述扫描仪姿态，

(g)计算所述当前扫描仪数据中的每个扫描点与所述3D参考图中的最近点之间的距离，其中通过对该距离应用阈值来执行变化分析，由此所述当前扫描仪数据中在3D参考图中不具有对应邻居的每个点被认为是变化，

(h)在实时用户界面上显示关于所述3D参考图和所述当前3D扫描仪数据的信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述局部轨迹优化模块包括局部窗机制，所述局部窗机制优化轨迹片段，所述轨迹片段由关于建立到最后配准集的地图的姿态集及其相关联的点云组成；其中所述局部窗机制操作使得当列表中的第一姿态与最后的姿态之间的距离大于阈值时，优化姿态，并且用改善的姿态和对应的点云产生新的列表。

3.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其中，所述数据结构保持存储的数据的五种不同表示，从而在每次地图更新之后，给予内部数据表示之间的一致性，所述五种表示为：

(i)特征的紧凑且密集列表L和到最后的元素的索引L_last，其中每个元素l_i∈L包含与所述地图中的特征相关联的所有信息，

(ii)紧凑且密集的有效性掩模M，其中每个元素m_i∈M是布尔值，指示其对应的样本l_i∈L是否有效，确保m_i＝0,iL_last，

(iii)孔的列表H，其中每个元素h_i∈HL_last指示是无效的，因此

(iv)以可参数化的单元格大小建立的稀疏体素表示V，其在每个单元格v_i∈V中存储L中的其相应特征的索引，其中基于l_i的位置和V的单元格大小，L中的特征和V中的单元格以一对一的方式相关，以及

(v)用于在所述地图上执行最近邻居搜索的kd-treeK，并且其仅存储对所述密集列表L的参考，以保持其存储器占用低。