CN113532472A - 一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的方法，包括如下步骤：(1)轨迹数据的预处理；(2)建立偏差方程；(3)计算轨迹点偏差值；(4)判断并输出差值较大点坐标。与上述方法相对应地，本发明提供了一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的系统。应用本发明可以实现快速的定位到某一个点处两者偏差较大，并给出偏差值，从而在高精地图的建图过程中，大大提高了建图效率；同时对于质量检测人员，可以更加高效的实现大规模场景下高精地图质量，可以有效把控无人驾驶激光定位精确度与可靠性，进而推动大规模场景高精地图应用落地。
Description
技术领域
本发明涉及无人驾驶车高精地图技术领域，具体涉及一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的方法及系统。
背景技术
随着近年来科技水平的不断提升，人工智能飞速发展，其广泛运用了到各个领域之中。其中，由于自动驾驶车辆能够高效利用交通资源，缓解交通拥堵、减少碳排放，因此，自动驾驶技术越来越成为人们所关注的焦点。当前，乘用车自动驾驶距真正商业化还有一定的距离，而限定环境内的小型低速环卫清扫车为自动驾驶技术的落地提供了具体的应用场景。另一方面，由于人口老龄化的加剧，国内劳动力的成本逐年呈上升趋势，且繁重的重复性体力劳动增加了人们的工作负担，例如，对于公园、校园、大型商场、工业园区等场景的环境卫生清扫作业，环卫工人需要长时间进行重复性的体力劳动，作业繁重，故由智能化的无人驾驶自动清扫代替繁重的人工清扫势不可挡。
小型低速环卫清扫车能够实现高精度定位、路径规划等技术离不开高精度地图，而高精度地图的关键在于创建点云地图的技术，即基于激光传感器的同时定位与建图(Simultaneously Localization and Mapping，SLAM)。通过3D激光匹配算法进行点云帧间匹配构建点云地图(匹配形成的轨迹成为激光里程计)，并结合组合导航(GPS、轮速计、惯性测量单元等多传感器融合方法)观测信息来优化点云地图。但是实际应用中，由于环境、地形和人为因素的影响激光里程计与组合导航轨迹无法实现完全重合，两者偏差过大会导致：1、点云地图与实际物理环境不符2、点云地图存在局部重影和畸变，影响激光匹配与多传感器融合定位效果。
然而，高精度地图制作中不同轨迹间偏差检测尚没有成熟方案，大多分别通过计算3D激光匹配的轨迹点和MSF轨迹点，再通过曲线拟合的方式建立两条插值曲线，并进行可视化。在高精地图制作和质量检测中，以上两者轨迹偏差完全由建图人员用经验去判断。凭借建图人员经验去判断两条轨迹点偏差变化虽然可以实现一定区域内或者某个时间段内大偏差检测，但效率低易出现误检，无法判断以万为数量级的轨迹点中两者误差大小和异常点的具体位置，严重影响高精地图的建图质量及检测效果。
发明内容
本发明提供了一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的方法及系统，其将两者轨迹点的坐标(离散型的)进行处理，同时要实现其平滑过渡，再通过设定阈值找出两者偏差较大点，输出其对应点的坐标，进而帮助高精地图建图人员快速定位地图中异常点，有效提高高精地图自动化检测。
为实现本发明的目的，本发明提供的一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)轨迹数据的预处理；
(2)建立偏差方程；
(3)计算轨迹点偏差值；
(4)判断并输出差值较大点坐标。
优选地，在步骤(1)中，首先建立激光点云地图，对点云进行合理的抽析，通过设定关键帧的距离来控制点云的密度，在初步建立点云地图后，通过激光匹配的方法推算地图采集平台的轨迹数据，存储的数据中包含了位置和航向信息；对组合导航进行有效性进行判断，保存其轨迹数据，其中包含了位置和航向信息。
优选地，在步骤(2)中，采用最小二乘法对激光匹配轨迹进行局部拟合，给定数据点pi(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,…,m，求近似曲线
并且使得近似曲线与y＝f(x)的偏差最小，近似曲线在点pi处的偏差
曲线拟合公式如下：
建立一个激光匹配轨迹点数组队列，将其按顺序填入a个轨迹点的位置坐标，通过最小二乘公式建立直线方程，然后，在a个轨迹点头部去除1个数据，最后在尾部循环填入一个数据，以此类推会按顺序建立N个直线方程；同理在时间对齐的情况下，组合导航轨迹线也采用相同的方法按顺序建立N个直线方程。
优选地，在步骤(3)中，选择激光匹配轨迹线和组合导航轨迹线两条轨迹中一条轨迹的N个直线方程，再使用其相对轨迹线的轨迹点，通过点到直线的距离公式，即可得到两条轨迹偏差。
优选地，在步骤(4)中，将轨迹点的坐标组成一个队列，在队列中建立一个滑动窗口，将位置与航向作差后的数据按顺序取b个值放入滑动窗口中，计算滑动窗口中数据的方差并记录，窗口中第一个数据会实时弹出，并在窗口尾部按顺序加入新的航位插值，以此类推，能够得到整条轨迹线上每个点对应航位变化的方差，通过航位方差与预设阈值比对，能够判断出两条轨迹出现偏差的较大点的位置，并根据轨迹点的ID输出对应轨迹点的坐标值。
与上述方法相对应地，本发明提供了一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的系统，包括：
(1)轨迹数据的预处理单元；
(2)建立偏差方程单元；
(3)计算轨迹点偏差值单元；
(4)判断并输出差值较大点坐标单元。
优选地，所述轨迹数据的预处理单元用于，首先建立激光点云地图，对点云进行合理的抽析，通过设定关键帧的距离来控制点云的密度，在初步建立点云地图后，通过激光匹配的方法推算地图采集平台的轨迹数据，存储的数据中包含了位置和航向信息；对组合导航进行有效性进行判断，保存其轨迹数据，其中包含了位置和航向信息。
优选地，所述建立偏差方程单元用于，采用最小二乘法对激光匹配轨迹进行局部拟合，给定数据点pi(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,…,m，求近似曲线
并且使得近似曲线与y＝f(x)的偏差最小，近似曲线在点pi处的偏差
曲线拟合公式如下：
建立一个激光匹配轨迹点数组队列，将其按顺序填入a个轨迹点的位置坐标，通过最小二乘公式建立直线方程，然后，在a个轨迹点头部去除1个数据，最后在尾部循环填入一个数据，以此类推会按顺序建立N个直线方程；同理在时间对齐的情况下，组合导航轨迹线也采用相同的方法按顺序建立N个直线方程。
优选地，所述计算轨迹点偏差值单元用于，选择激光匹配轨迹线和组合导航轨迹线两条轨迹中一条轨迹的N个直线方程，再使用其相对轨迹线的轨迹点，通过点到直线的距离公式，即可得到两条轨迹偏差。
优选地，所述判断并输出差值较大点坐标单元用于，将轨迹点的坐标组成一个队列，在队列中建立一个滑动窗口，将位置与航向作差后的数据按顺序取b个值放入滑动窗口中，计算滑动窗口中数据的方差并记录，窗口中第一个数据会实时弹出，并在窗口尾部按顺序加入新的航位插值，以此类推，能够得到整条轨迹线上每个点对应航位变化的方差，通过航位方差与预设阈值比对，能够判断出两条轨迹出现偏差的较大点的位置，并根据轨迹点的ID输出对应轨迹点的坐标值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为，应用本发明可以实现快速的定位到某一个点处两者偏差较大，并给出偏差值，从而在高精地图的建图过程中，大大提高了建图效率；同时对于质量检测人员，可以更加高效的实现大规模场景下高精地图质量，可以有效把控无人驾驶激光定位精确度与可靠性，进而推动大规模场景高精地图应用落地。
附图说明
图1所示为本申请的方法流程示意图；
图2所示为本申请激光匹配与组合导航轨迹示意图；
图3所示为本申请轨迹线与轨迹点示意图；
图4所示为本申请轨迹偏差计算示意图；
图5所示为本申请轨迹偏差计算结果示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明提供了一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的方法，包括如下四个步骤：如图1所示，
S1.轨迹数据的预处理
首先，建立激光点云地图，对点云进行合理的抽析，通过设定关键帧的距离来控制点云的密度，在初步建立点云地图后，通过激光匹配的方法推算地图采集平台的轨迹数据，存储的数据中包含了位置(x，y)和航向信息，如图2所示，然后对组合导航进行有效性进行判断，保存其轨迹数据其中也包含了包含了x、y和航向信息，如图3所示。
S2.建立偏差方程
由于激光匹配轨迹点并不是线性的存在，而是离散的分布在轨迹线的两侧，根据其分布特点，采用海因里希·奥尔伯斯提出最小二乘法对轨迹进行局部拟合，给定数据点pi(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,…,m,求近似曲线
并且使得近似曲线与y＝f(x)的偏差最小,近似曲线在点pi处的偏差
曲线拟合公式如下：
为了计算的合理性，我们首先建立一个数组队列，将其按顺序填入a个轨迹点的x、y坐标，通过最小二乘公式建立直线方程，然后在这a个轨迹点头部去除1个数据，最后在尾部循环填入一个数据，以此类推会按顺序建立N个直线方程。同理在时间对齐的情况下，组合导航轨迹线也采用相同的方法按顺序建立N个直线方程。上面的a的取值，可以为10个、9个或8个，在此不做数量限定。
S3.计算轨迹点偏差值
由于激光匹配轨迹点与组合导航轨迹点是通过时间戳进行对应，因此在两条轨迹线之间就可以建立N组直线对。可以只需要选择两条轨迹中一条轨迹的N个直线方程，再使用其相对轨迹线的轨迹点，通过点到直线的距离公式，即可得到两条轨迹偏差，轨迹偏差计算，如图4所示。
S4.判断并输出差值较大点坐标
将轨迹点的坐标组成一个队列，在队列中建立一个滑动窗口，将位置与航向作差后的数据按顺序取b个值放入滑动窗口中，计算滑动窗口中数据的方差并记录；窗口中第一个数据会实时弹出，并在窗口尾部按顺序加入新的航位(位置、航向)插值；以此类推，则可以得到整条轨迹线上每个点对应航位变化的方差，通过航位方差与预设阈值比对，可以判断出两条轨迹出现偏差的较大点的位置，并根据轨迹点的ID输出对应轨迹点的坐标值，如图5所示。需要说明的是，上面的a的取值，可以为5个、6个或7个，在此不做数量限定。
本实施例按时间戳顺序读取轨迹线上的10个轨迹点建立直线方程，并进行循环剔除和填充，最大化的剔除局部跳变对轨迹线偏差计算精度的影响，实现了最平滑情况下的距离的计算的设计方法；其中，轨迹线上的轨迹点通过使用最小二乘法，在离散点间拟合局部直线方程，用于计算离散点与拟合轨迹线之间的距离；本实施例设计了一个固定长度的滑动窗口，有效过滤轨迹中异常点对航向的影响；获取航向变化时引入方差的计算方法；在滑动窗口中计算每个航位点和其前后两个航位值组成的数组的方差，该方差代表这一点航向数据波动。在判断两条轨迹线的变化幅度时，本实施例设计了判断航向方差值大小和位置偏差最大值来自动检测两条轨迹偏差较大的范围点。
与上述方法对应地，本发明还提供了一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的系统，包括：
(1)轨迹数据的预处理单元；
(2)建立偏差方程单元；
(3)计算轨迹点偏差值单元；
(4)判断并输出差值较大点坐标单元。
优选地，所述轨迹数据的预处理单元用于，首先建立激光点云地图，对点云进行合理的抽析，通过设定关键帧的距离来控制点云的密度，在初步建立点云地图后，通过激光匹配的方法推算地图采集平台的轨迹数据，存储的数据中包含了位置和航向信息；对组合导航进行有效性进行判断，保存其轨迹数据，其中包含了位置和航向信息。
优选地，所述建立偏差方程单元用于，采用最小二乘法对激光匹配轨迹进行局部拟合，给定数据点pi(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,…,m，求近似曲线
并且使得近似曲线与y＝f(x)的偏差最小，近似曲线在点pi处的偏差
曲线拟合公式如下：
建立一个激光匹配轨迹点数组队列，将其按顺序填入a个轨迹点的位置坐标，通过最小二乘公式建立直线方程，然后，在a个轨迹点头部去除1个数据，最后在尾部循环填入一个数据，以此类推会按顺序建立N个直线方程；同理在时间对齐的情况下，组合导航轨迹线也采用相同的方法按顺序建立N个直线方程。
优选地，所述计算轨迹点偏差值单元用于，选择激光匹配轨迹线和组合导航轨迹线两条轨迹中一条轨迹的N个直线方程，再使用其相对轨迹线的轨迹点，通过点到直线的距离公式，即可得到两条轨迹偏差。
优选地，所述判断并输出差值较大点坐标单元用于，将轨迹点的坐标组成一个队列，在队列中建立一个滑动窗口，将位置与航向作差后的数据按顺序取b个值放入滑动窗口中，计算滑动窗口中数据的方差并记录，窗口中第一个数据会实时弹出，并在窗口尾部按顺序加入新的航位插值，以此类推，能够得到整条轨迹线上每个点对应航位变化的方差，通过航位方差与预设阈值比对，能够判断出两条轨迹出现偏差的较大点的位置，并根据轨迹点的ID输出对应轨迹点的坐标值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)轨迹数据的预处理；
(2)建立偏差方程；
(3)计算轨迹点偏差值；
(4)判断并输出差值较大点坐标。
2.根据权利要求1所述的一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的方法，其特征在于，
在步骤(1)中，首先建立激光点云地图，对点云进行合理的抽析，通过设定关键帧的距离来控制点云的密度，在初步建立点云地图后，通过激光匹配的方法推算地图采集平台的轨迹数据，存储的数据中包含了位置和航向信息；对组合导航进行有效性进行判断，保存其轨迹数据，其中包含了位置和航向信息。
3.根据权利要求2所述的一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的方法，其特征在于，
在步骤(2)中，采用最小二乘法对激光匹配轨迹进行局部拟合，给定数据点pi(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,…,m，求近似曲线
并且使得近似曲线与y＝f(x)的偏差最小，近似曲线在点pi处的偏差
i＝1,2,...,m，曲线拟合公式如下：
建立一个激光匹配轨迹点数组队列，将其按顺序填入a个轨迹点的位置坐标，通过最小二乘公式建立直线方程，然后，在a个轨迹点头部去除1个数据，最后在尾部循环填入一个数据，以此类推会按顺序建立N个直线方程；同理在时间对齐的情况下，组合导航轨迹线也采用相同的方法按顺序建立N个直线方程。
4.根据权利要求3所述的一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的方法，其特征在于，
在步骤(3)中，选择激光匹配轨迹线和组合导航轨迹线两条轨迹中一条轨迹的N个直线方程，再使用其相对轨迹线的轨迹点，通过点到直线的距离公式，即可得到两条轨迹偏差。
5.根据权利要求4所述的一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的方法，其特征在于，
在步骤(4)中，将轨迹点的坐标组成一个队列，在队列中建立一个滑动窗口，将位置与航向作差后的数据按顺序取b个值放入滑动窗口中，计算滑动窗口中数据的方差并记录，窗口中第一个数据会实时弹出，并在窗口尾部按顺序加入新的航位插值，以此类推，能够得到整条轨迹线上每个点对应航位变化的方差，通过航位方差与预设阈值比对，能够判断出两条轨迹出现偏差的较大点的位置，并根据轨迹点的ID输出对应轨迹点的坐标值。
6.一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的系统，其特征在于，包括：
(1)轨迹数据的预处理单元；
(2)建立偏差方程单元；
(3)计算轨迹点偏差值单元；
(4)判断并输出差值较大点坐标单元。
7.根据权利要求6所述的一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的系统，其特征在于，
所述轨迹数据的预处理单元用于，首先建立激光点云地图，对点云进行合理的抽析，通过设定关键帧的距离来控制点云的密度，在初步建立点云地图后，通过激光匹配的方法推算地图采集平台的轨迹数据，存储的数据中包含了位置和航向信息；对组合导航进行有效性进行判断，保存其轨迹数据，其中包含了位置和航向信息。
8.根据权利要求7所述的一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的系统，其特征在于，
所述建立偏差方程单元用于，采用最小二乘法对激光匹配轨迹进行局部拟合，给定数据点pi(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,…,m，求近似曲线
并且使得近似曲线与y＝f(x)的偏差最小，近似曲线在点pi处的偏差
i＝1,2,...,m，曲线拟合公式如下：
建立一个激光匹配轨迹点数组队列，将其按顺序填入a个轨迹点的位置坐标，通过最小二乘公式建立直线方程，然后，在a个轨迹点头部去除1个数据，最后在尾部循环填入一个数据，以此类推会按顺序建立N个直线方程；同理在时间对齐的情况下，组合导航轨迹线也采用相同的方法按顺序建立N个直线方程。
9.根据权利要求8所述的一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的系统，其特征在于，
所述计算轨迹点偏差值单元用于，选择激光匹配轨迹线和组合导航轨迹线两条轨迹中一条轨迹的N个直线方程，再使用其相对轨迹线的轨迹点，通过点到直线的距离公式，即可得到两条轨迹偏差。
10.根据权利要求9所述的一种检测激光建图里程计与组合导航定位偏差的系统，其特征在于，
所述判断并输出差值较大点坐标单元用于，将轨迹点的坐标组成一个队列，在队列中建立一个滑动窗口，将位置与航向作差后的数据按顺序取b个值放入滑动窗口中，计算滑动窗口中数据的方差并记录，窗口中第一个数据会实时弹出，并在窗口尾部按顺序加入新的航位插值，以此类推，能够得到整条轨迹线上每个点对应航位变化的方差，通过航位方差与预设阈值比对，能够判断出两条轨迹出现偏差的较大点的位置，并根据轨迹点的ID输出对应轨迹点的坐标值。
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