CN114296097A - 基于GNSS和LiDAR的SLAM导航方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于GNSS和LiDAR的SLAM导航方法，包括如下步骤：S1、在GNSS信号友好时，基于GNSS对移动机器人进行定位，同时控制激光雷达扫描路标，基于当前定位位姿构建地图；S2、在GNSS信号不友好时，基于激光雷达对移动机器人进行定位，将定位位姿转换至地球坐标系下，获得移动机器人当前在地球坐标系下的位姿，并基于该位姿构建地图。适用于在GNSS拒绝的开放场景下的高精度建图及定位。

Description

基于GNSS和LiDAR的SLAM导航方法及系统

技术领域

本发明属于导航技术领域，更具体地，本发明涉及一种基于GNSS和LiDAR的SLAM导航方法及系统。

背景技术

自主三维地图构建是移动机器人或移动激光扫描(MLS)系统在大规模户外环境中工作的重要能力。地图构建(已注册的三维点云)的数据质量与姿态估计算法的精度有关。GNSS/INS系统可通过RTK(Real-time kinematic)实时动态差分技术实现精确的6自由度姿态数据获取。

由于大树和建筑的遮挡和反射，在户外环境中存在许多GNSS拒绝的场景。由于在这些地方没有RTK的定位数据，此外，GNSS/INS系统需要非常高成本的惯性装置来提高其定位精度。

发明内容

本发明提供一种基于GNSS和LiDAR的SLAM导航方法及系统法，旨在改善上述问题。

本发明是这样实现的，一种基于GNSS和LiDAR的SLAM导航方法，所述方法具体包括如下步骤：

S1、在GNSS信号友好时，基于GNSS对移动机器人进行定位，同时控制激光雷达扫描路标，基于当前定位位姿构建地图；

S2、在GNSS信号不友好时，基于激光雷达对移动机器人进行定位，将定位位姿转换至地球坐标系下，获得移动机器人当前在地球坐标系下的位姿，并基于该位姿构建地图。

进一步的，在步骤S1之前还包括：

S0、在GNSS信号友好时，标定GNSS所在地球坐标系与激光雷达坐标系间的转换位姿矩阵。

进一步的，GNSS所在地球坐标系与激光雷达坐标系间的转换位姿矩阵标定方法具体如下：

通过GNSS获取移动机器人当前在地球坐标系下的位姿，放入地球坐标系位姿集中；

控制激光雷达扫描已知路标，基于扫描到的已知路标获取移动机器人当前在激光雷达坐标系进下的位姿，放入激光雷达坐标系位姿集中；

重复执行上述步骤N次，将地球坐标系位姿集中的位姿与激光雷达坐标系位姿集中的位姿进行匹配，获取地球坐标系与激光雷达坐标系间的转换位姿矩阵。

进一步的，在基于激光雷达进行定位时，对激光雷达获取的移动机器人位姿进行漂移误差修正，基于修正后的移动机器人位姿来更新地图。

进一步的，位姿的漂移误差校正方法具体如下：

在基于激光雷达获取当前时刻的定位位姿时，将定位位姿放入待更新位姿集中；将待更新位姿集中的位姿序列输入预测模型，获取当前时刻的预估位姿；计算当前时刻的定位位姿与预估位姿的位置偏差及角度偏差，将位置偏及角度偏差均匀分到待更新位姿集中的各位姿中，即对待更新位姿集中的各位姿点进行修正，将修正后的位姿序列放入该路段的历史轨迹集中。

本发明是这样实现的，一种基于GNSS和LiDAR的SLAM导航系统，所述系统包括：

设于移动机器人上的单天线GNSS及激光雷达，单天线GNSS及激光雷达与定位单元通讯连接；

定位单元基于上述基于GNSS和LiDAR的SLAM导航方法对移动机器人进行导航。

本发明提供了一种的S基于GNSS和LiDARLAM导航方法，适用于在GNSS拒绝的开放场景下的高精度建图及定位。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于GNSS和LiDAR的SLAM导航系统结构示意图；

图2为本发明实施例提提供的基于GNSS和LiDAR的SLAM导航方法流程图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

图1为本发明实施例提供的基于GNSS和LiDAR的SLAM导航系统结构示意图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分，该系统包括：

设于移动机器人上的单天线GNSS及激光雷达，单天线GNSS及激光雷达与定位单元通讯连接；定位单元通过如下基于GNSS和LiDAR的SLAM导航方法进行移动机器人的导航；

在本发明实施例中，在行驶路段设置路标，以使激光雷达基于路标进行定位的同时，完成地图的构建，建图过程将是未知路标纳入地球坐标系的过程。

图2为本发明实施例提供的基于GNSS和LiDAR的SLAM导航方法流程图，该方法具体包括如下步骤：

S1、在GNSS信号友好时，基于GNSS进行移动机器人的定位，同时控制激光雷达扫描路标，基于当前定位位姿进构建地图，即将未知路标纳入地球坐标系中，已纳入地图中的坐标即为已知路标。

S2、在GNSS信号不友好时，基于激光雷达进行移动机器人的定位，将定位位姿转换至地球坐标系下，获得移动机器人当前在地球坐标系下的位姿，并基于该位姿构建地图，建图即将未知路标纳入地球坐标系中。

在本发明实施例中，GNSS信号不友好是指无GNSS信号，或者是GNSS信号过弱无法完成移动机器人的定位，在达到指定位置点时，检测到GNSS信号不友好，则切换至激光雷达，基于上一时刻的位姿将扫描到的路标与地图中的已知路标进行比对，在地图找出配位匹配的路标，进而计算出移动机器人当前的位姿，即完成移动机器人当前的定位，基于定位位姿将扫描到的未知路标纳入地图中。

在本发明实施例中，在步骤S1之前还包括：

S0、在GNSS信号友好时，标定GNSS所在地球坐标系与激光雷达坐标系间的转换位姿矩阵，GNSS所在地球坐标系与激光雷达坐标系间的转换位姿矩阵标定方法具体如下：

S01、通过GNSS获取移动机器人当前在地球坐标系下的位姿，放入地球坐标系位姿集中；

S02、控制激光雷达扫描已知路标，基于扫描到的已知路标获取移动机器人当前在激光雷达坐标系进下的位姿，放入激光雷达坐标系位姿集中；

重复执行步骤S01至步骤S02共N次，将地球坐标系位姿集中的位姿与激光雷达坐标系位姿集中的位姿进行匹配，获取地球坐标系与激光雷达坐标系间的转换位姿矩阵。

在本发明实施例中，在基于激光雷达进行定位时，对激光雷达获取的移动机器人位姿进行漂移误差修正，基于修正后的移动机器人位姿来更新地图。

在本发明实施例中，位姿的漂移误差校正方法具体如下：

在基于激光雷达获取当前时刻的定位位姿时，将定位位姿放入待更新位姿集中；

将待更新位姿集中的位姿序列输入预测模型，获取当前时刻的预估位姿；

计算当前时刻的定位位姿与预估位姿的位置偏差及角度偏差，将位置偏及角度偏差均匀分到待更新位姿集中的各位姿中，即对待更新位姿集中的各位姿点进行修正，将修正后的位姿序列放入该路段的历史轨迹集中，基于历史轨迹集中的位姿序列对预测模型进行训练。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于GNSS和LiDAR的SLAM导航方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

S1、在GNSS信号友好时，基于GNSS对移动机器人进行定位，同时控制激光雷达扫描路标，基于当前定位位姿构建地图；

S2、在GNSS信号不友好时，基于激光雷达对移动机器人进行定位，将定位位姿转换至地球坐标系下，获得移动机器人当前在地球坐标系下的位姿，并基于该位姿构建地图。

2.如权利要求1所述基于GNSS和LiDAR的SLAM导航方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括：

S0、在GNSS信号友好时，标定GNSS所在地球坐标系与激光雷达坐标系间的转换位姿矩阵。

3.如权利要求2所述基于GNSS和LiDAR的SLAM导航方法，其特征在于，GNSS所在地球坐标系与激光雷达坐标系间的转换位姿矩阵标定方法具体如下：

通过GNSS获取移动机器人当前在地球坐标系下的位姿，放入地球坐标系位姿集中；

控制激光雷达扫描已知路标，基于扫描到的已知路标获取移动机器人当前在激光雷达坐标系进下的位姿，放入激光雷达坐标系位姿集中；

重复执行上述步骤N次，将地球坐标系位姿集中的位姿与激光雷达坐标系位姿集中的位姿进行匹配，获取地球坐标系与激光雷达坐标系间的转换位姿矩阵。

4.如权利要求1所述基于GNSS和LiDAR的SLAM导航方法，其特征在于，在基于激光雷达进行定位时，对激光雷达获取的移动机器人位姿进行漂移误差修正，基于修正后的移动机器人位姿来更新地图。

5.如权利要求4所述基于GNSS和LiDAR的SLAM导航方法，其特征在于，位姿的漂移误差校正方法具体如下：

在基于激光雷达获取当前时刻的定位位姿时，将定位位姿放入待更新位姿集中；将待更新位姿集中的位姿序列输入预测模型，获取当前时刻的预估位姿；计算当前时刻的定位位姿与预估位姿的位置偏差及角度偏差，将位置偏及角度偏差均匀分到待更新位姿集中的各位姿中，即对待更新位姿集中的各位姿点进行修正。

6.一种基于GNSS和LiDAR的SLAM导航系统，其特征在于，所述系统包括：

设于移动机器人上的单天线GNSS及激光雷达，单天线GNSS及激光雷达与定位单元通讯连接；

定位单元基于权利要求1至5任一权利要求基于GNSS和LiDAR的SLAM导航方法对移动机器人进行导航。

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