[发明专利]用于实时建图与定位的方法和装置

说明书

一种用于构建能用于实时建图、定位和/或变化分析的3D参考图的方法，其中基于移动激光测距扫描仪使用3D SLAM(同步定位与建图)框架建立3D参考图。一种用于实时建图、定位和变化分析的方法，特别是在GPS被拒绝的环境中，以及一种用于实施所述方法的移动激光扫描装置。

技术领域

本发明总体上涉及定位与建图，尤其是在GPS被拒绝的环境诸如室内。

背景技术

已经描述了或者市售有不同的解决方案来允许出于诸如定位或建图的目的而获取环境。不同的方法已经产生不同的解决方案。

其中，许多商用和原型室内导航系统基于惯性传感器(例如，DLR的FootSLAM、Chirange地理空间室内跟踪)。它们小且便宜，但位置准确度低，并且随时间漂移显著。此外，惯性系统不生成地图信息。因此，它们仅适用于定位和导航目的，而不适用于地图生成。

其他室内定位系统基于传输无线电信号——类似于户外环境中的GPS信号。一些系统使用现有的基础设施(例如机场的WiFi网络、Navizon)，其他的需要安装专用的基础设施(例如NextNav、SenionLab)。这些系统几乎没有传感器成本(客户端应用使用具有专用软件应用的智能手机)，但它们需要发射无线电信号的网络基础设施。此外，它们不生成地图信息。因此，它们仅适用于定位和导航目的，而不适用于地图生成。

另一种有趣的产品使用3D扫描。ZEB1是使用3D激光扫描来快速(室内)建图的商用产品。激光器安装在弹簧上，并且需要手动产生振荡运动。它生成室内环境的准确3D模型。然而，因为数据处理是离线进行的，所以系统不会向用户提供即时反馈。因此，该系统适用于建图，但不适用于实时定位。

再一种解决方案是在加州大学伯克利分校开发的激光背包。它是一RD项目，提出了一种背包，该背包配有若干2D线扫描仪，用于生成室内环境的3D模型。同样地，其不提供在线可视化。

最后一种解决方案被称为LOAM(激光雷达里程计与建图)，并且其包括便携式传感器，带有将激光扫描与视频图像组合用于实时定位和建图的相关联的算法。

几乎所有这些解决方案都缺少实时/在线可视化，并且更重要的是，它们不允许在获取和处理步骤中进行任何直接的用户交互。

技术问题

本发明的目的是提供一种系统、装置和方法，其不仅(特别是在GPS被拒绝的环境中)允许实时获取、建图和定位，而且还将提供实时可视化和用户交互的可能性。此外，本发明还可以允许将当前获取的数据与先前获取的地图进行实时比较。这将允许识别出自上一次建图以来发生的差异或变化。这种变化或差异的在线识别在应用诸如安全检查、土木建设以及紧急或灾害管理中可以有很大的好处。

发明的总体描述

为了实现该目的，本发明在第一方面提出了一种用于构建能用于实时建图、定位和/或变化分析(的方法)的环境的3D参考图的方法，包括以下步骤：

(a)用移动实时激光测距扫描仪以每秒至少5帧(即5个点云)(优选地至少10帧)的速率获取环境的(3D)扫描仪数据，

(b)使用(3D)扫描仪数据为激光测距扫描仪的多个姿态中的每一个构建地图表示，每个姿态具有由扫描仪数据限定的相关联的点云，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，以及

(c)使用地图表示为环境建立3D参考图，所述3D参考图使用3D同步定位与建图(3DSLAM)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针对每个点云估计激光测距扫描仪的当前姿态，

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