CN116012540A - 空间静态地图建构方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种空间静态地图建构方法及系统。此方法包括下列步骤：利用激光雷达传感器扫描三维空间，以在一时序产生包括三维空间中多个点的激光雷达帧；针对激光雷达帧的每个点，在依据三维空间所建构的静态地图中寻找与所述点最接近的对应点，并计算所述点与对应点之间的距离，在距离超过预设阈值时将所述点标记为动态点，否则标记为静态点；将激光雷达帧中被标记的每个动态点与所述时序之前所产生的N个激光雷达帧中的多个点进行比较，若这N个激光雷达帧中包括动态点，将动态点的标记修正为静态点；以及移除激光雷达帧中的动态点，并将激光雷达帧中的每个静态点更新至静态地图。本发明的空间静态地图建构方法及系统可提供更干净且准确的静态地图。

Description

空间静态地图建构方法及系统

【技术领域】

本发明是有关于一种空间建构方法及系统，且特别是有关于一种空间静态地图建构方法及系统。

【背景技术】

为因应工业4.0的到来，许多工厂纷纷转型为自动且智能化的生产型态，在不需要人工引导下，使无人搬运车或无人驾驶堆高机在特定场域中完成重复性的运输工作，是第四次工业革命中重要的主题之一。无人车在特定场域中运作之前，需要利用激光雷达(LiDAR)感测装置、惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)、相机等传感器对所在环境进行大规模地建立空间模型，并建立环境地图的完整描述以利无人搬运车或无人驾驶堆高机后续的定位与导航。

然而，在建立环境地图的扫描期间，若有人群随意地行走或有动态移动的对象，会使得最终建立的环境地图杂乱而影响到定位导航的精准度。鉴于上述原因，有必要发展一套能够去除地图中动态对象的方法。

“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所公开的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中普通技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所公开的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域中普通技术人员所知晓或认知。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种空间静态地图建构方法及系统，可确实地将动态对象从静态地图中移除而提供更干净且准确的静态地图，而有助于无人车的定位及导航。

本发明的其他目的和优点可以从本发明所公开的技术特征中得到进一步的了解。

为实现上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明提供一种空间静态地图建构方法，应用于具有处理器的电子装置。此方法包括下列步骤：利用激光雷达(LiDAR)传感器扫描一三维空间，以在一时序产生包括三维空间中多个点的一激光雷达帧；针对激光雷达帧中的每一个点，在依据三维空间所建构的静态地图中寻找与激光雷达帧的所述点最接近的对应点，并计算所述点与对应点之间的距离，在距离超过预设阈值时将所述点标记为动态点，且在距离未超过预设阈值时将所述点标记为静态点；针对激光雷达帧中被标记的每一个动态点，与所述时序之前所产生的N个激光雷达帧中的多个点进行比较，若判断这N个激光雷达帧中包括动态点，则将动态点的标记修正为静态点；以及移除激光雷达帧中的动态点，并将激光雷达帧中的每一个静态点更新至静态地图。

本发明还提供了一种空间静态地图建构系统，其包括激光雷达传感器以及处理装置。其中，处理装置具有处理器，并连接激光雷达传感器。此处理器经配置以利用激光雷达传感器扫描三维空间，以在一时序产生包括三维空间中多个点的激光雷达帧，针对激光雷达帧中的每一个点，在依据三维空间所建构的静态地图中寻找与激光雷达帧的所述点最接近的对应点，并计算所述点与对应点之间的距离，在距离超过预设阈值时将所述点标记为动态点，且在距离未超过预设阈值时所述点标记为静态点，针对激光雷达帧中被标记的每一个动态点，与所述时序之前所产生的N个激光雷达帧中的多个点进行比较，若判断这N个激光雷达帧中包括动态点，则将动态点的标记修正为静态点，以及移除激光雷达帧中的每一个动态点，并将激光雷达帧中的静态点更新至静态地图。

基于上述，本发明得以在保留完整静态对象结构的情况下，确实地将动态对象的点从静态地图中移除，而可提供更干净的静态地图供无人车进行定位及导航。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

【附图说明】

图1是依照本发明一实施例所绘示的空间静态地图建构系统的方框图。

图2是依照本申请一实施例所绘示的空间静态地图建构方法的流程图。

图3是依照本发明一实施例所绘示的空间静态地图建构系统的方框图。

图4是依照本申请一实施例所绘示的空间静态地图建构方法的流程图。

图5A及图5B是依照本申请一实施例所绘示的空间静态地图建构方法的比较例。

【符号说明】

10、30：空间静态地图建构系统

12、324：激光雷达传感器

14、34：处理装置

142、344：处理器

32：自走车

322、342：通信装置

52、54：静态点云地图

522、542：通道

S201～S204、S401～S408：步骤

【具体实施方式】

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合附图的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明实施例采用同时定位与地图建构(Simultaneous localization andmapping，SLAM)技术，在室内或特定场域中使用三维(3D)激光雷达(LiDAR)传感器直接在空间中感测扫描点，或者采用视觉SLAM(单目相机、双目相机或RGBD深度相机)产生出稀疏或稠密的三维重建地图，以建立对环境的认知。以上方法所建立的地图可为点云地图，其中点云地图中的每一个点可代表环境中的障碍物。

本发明实施例提供一种空间静态地图建构算法，对场域范围较大的公共环境或是运作中的工厂等三维空间建立静态点云地图(以下简称静态地图)，并针对扫描及建图过程中出现的人、货物等动态对象，从静态地图中自动分割并移除属于动态对象的点云，最终输出一干净且正确的静态地图以供无人车在定位与导航使用。

图1是依照本发明一实施例所绘示的空间静态地图建构系统的方框图。请参照图1，本实施例的空间静态地图建构系统10包括激光雷达传感器12以及处理装置14。其中，激光雷达传感器12采用光学遥感技术，利用光来测量目标的距离。处理装置14例如是具备运算功能的个人计算机、服务器、工作站或其他电子装置，其中例如包括处理器142。在其他实施例中，处理装置14还可包括用于连接外部装置的连接装置、与外部装置进行通信的通信装置，或是用于存储数据的存储装置，在此不设限。

处理器142例如是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)、图形处理单元(Graphics Processing Unit，GPU)，或是其他可编程的通用或专用的微处理器(Microprocessor)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、可编程控制器、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，PLD)或其他类似装置或这些装置的组合。处理器142连接激光雷达传感器12，以执行本发明的空间静态地图建构方法。

图2是依照本申请一实施例所绘示的空间静态地图建构方法的流程图。请同时参照图1及图2，本实施例的方法适用于图1的空间静态地图建构系统10，以下即搭配空间静态地图建构系统10中的各项元件说明本发明的空间静态地图建构方法的详细步骤。

在步骤S201中，由处理器142利用激光雷达传感器12扫描三维空间，以在一时序产生包括三维空间中多个点的激光雷达帧。此三维空间例如是公共环境或工厂内部等空间，在此不设限。

在步骤S202中，由处理器142针对激光雷达帧中的每一个点，在依据三维空间所建构的静态地图中寻找与激光雷达帧的所述点最接近的对应点，并计算激光雷达帧的所述点与静态地图的所述对应点之间的距离，在距离超过预设阈值时将激光雷达帧的所述点标记为动态点，且在距离未超过预设阈值时将激光雷达帧的所述点标记为静态点。所述的距离例如为欧氏距离，但不限于此。

详细而言，并非所有当前激光雷达帧中的所有点都要拼接到静态地图中，由于激光雷达帧的输入是随着循序渐进的扫描轨迹，本实施例针对当前激光雷达帧中的所有点，依次寻找目前静态地图中与该点最近的对应点，并计算两点间的距离，若此距离超过预设阈值，即表示此点是未曾出现过的点，因此将此点标记为动态点，反之则将此点标记为静态点。

其中，激光雷达传感器12在不同时序所产生的每一激光雷达帧所对应的输出信号都是基于自身坐标轴为中心对周边障碍物的测距数值，为了将新激光雷达帧拼接到静态地图上，本实施例例如通过同时定位与地图构建(SLAM)技术对该激光雷达帧进行姿态转换(其中例如包含六个自由度的平移与旋转)，使得姿态转换后的激光雷达帧的坐标轴可以与静态地图的坐标轴一致。在一些实施例中，静态地图的坐标轴中心例如是以激光雷达传感器12开始进行扫描时所产生的第一帧的激光雷达帧来决定，但不限于此。

在步骤S203中，由处理器142针对激光雷达帧中被标记的每一个动态点，与所述时序之前的不同的N个时序所产生的N个激光雷达帧中的多个点进行比较，若判断这N个激光雷达帧中包括动态点，则将动态点的标记修正为静态点。其中，N为正整数。

详细而言，为了避免因为对象遮挡所造成的误判，本实施例针对当前激光雷达帧中被标记为动态点的点做第二次判断，例如将当前激光雷达帧中被标记为动态点的点依次与激光雷达传感器12在之前不同的N个时序所产生的N帧激光雷达帧进行比对，若被标记的该动态点曾出现在前N帧激光雷达帧中，表示其为静态点的几率很大，因此本实施例即将此动态点的标记修正为静态点。

在步骤S204中，由处理器142移除激光雷达帧中的动态点，并将激光雷达帧中的每一个静态点更新至静态地图。即处理器142将激光雷达帧中被标记的所有动态点移除，并将激光雷达帧中被标记的所有静态点更新至静态地图。

本实施例通过直接使用原始的激光雷达帧数据，仅利用“距离”来区分静态对象或是动态对象，因此可在无需对对象进行训练或辨认的情况下确实地将静态地图中的动态对象移除，使得此静态地图能提供更为准确的定位及导航信息。

在一些实施例中，图1中的激光雷达传感器12可配置于自走车(未图示)上，图1中的处理装置14则可控制自走车在三维空间中行走，同时控制激光雷达传感器扫描三维空间以建立静态地图。

详细而言，图3是依照本发明一实施例所绘示的空间静态地图建构系统的方框图。请参照图3，本实施例的空间静态地图建构系统30包括自走车32以及处理装置34。其中，自走车32中配置有激光雷达传感器324，用于扫描三维空间并测量目标的距离。处理装置34例如是具备运算功能的个人计算机、服务器、工作站或其他电子装置，其中处理装置34例如包括处理器344。所述激光雷达传感器324与处理器344的种类与功能与前述实施例中的激光雷达传感器12与处理器142相同或相似，故其详细内容在此不再赘述。

在本实施例中，自走车32及处理装置34中分别配置有彼此对应的通信装置322及通信装置342，用于使用有线或无线的方式建立通信链接并传输数据。其中，对于有线方式而言，自走车32的通信装置322及处理装置34的通信装置342可以是通用串行总线(universal serial bus，USB)、RS232、通用异步连接装置/传送器(universalasynchronous receiver/transmitter，UART)、内部整合电路(I2C)、序列周边接口(serialperipheral interface，SPI)、显示端口(display port)、雷电端口(thunderbolt)或局域网络(local area network，LAN)界面，但不限于此。对于无线方式而言，自走车32的通信装置322及处理装置34的通信装置342可以是支持无线保真(wireless fidelity，Wi-Fi)、RFID、蓝牙、红外线、近场通信(near-field communication，NFC)或装置对装置(device-to-device，D2D)等通信协议的装置，亦不限于此。而在其他实施例，处理装置34可以是与激光雷达传感器324一起配置在自走车32上或是处理装置34配置在远程的装置，在此不设限。

图4是依照本申请一实施例所绘示的空间静态地图建构方法的流程图。请同时参照图3及图4，本实施例的方法可应用于图3的空间静态地图建构系统30，以下即搭配空间静态地图建构系统30中的各项元件说明本发明的空间静态地图建构方法的详细步骤。

在步骤S401中，利用激光雷达传感器324扫描三维空间，以在一时序产生包括三维空间中多个点的激光雷达帧。其中，处理装置34的处理器344例如是通过通信装置342与自走车32的通信装置322建立通信链接，处理器344通过所述通信链接控制自走车32在三维空间中行走，并在自走车32行走过程中，控制激光雷达传感器324扫描三维空间。

在步骤S402中，由处理器344判定激光雷达传感器324所产生的激光雷达帧是否为第一激光雷达帧。其中，激光雷达传感器324所产生的激光雷达帧通过所述通信链接输出至处理装置34，若处理装置34的处理器344判定所述时序的此激光雷达帧为第一激光雷达帧，则步骤S403中，由处理器344直接将此激光雷达帧更新至静态地图，并基于此激光雷达帧的坐标轴设定静态地图的坐标轴。

反之，若处理装置34的处理器344判定所述时序的此激光雷达帧并非第一激光雷达帧，则步骤S404中，由处理装置34的处理器344针对所述时序的所述激光雷达帧中的每一个点，在依据三维空间所建构的静态地图中寻找与所述时序的所述激光雷达帧的所述点最接近的对应点，并计算所述激光雷达帧的所述点与所述静态地图的所述对应点之间的距离，而在所计算的距离超过预设阈值时将所述激光雷达帧的所述点标记为动态点，且在所计算的距离未超过预设阈值时将所述激光雷达帧的所述点标记为静态点。

在步骤S405中，由处理装置34的处理器344针对激光雷达帧中被标记的每一个动态点，与所述时序之前的不同的N个时序所产生的N个激光雷达帧中的多个点进行比较，若判断这N个激光雷达帧中包括动态点，则将动态点的标记修正为静态点。

在步骤S406中，由处理器344移除激光雷达帧中的动态点，并将激光雷达帧中的每一个静态点更新至静态地图。即处理器344将被标记的所有动态点移除，并将被标记的所有静态点更新至静态地图。

上述步骤S404～S406的实施方式与前述实施例的步骤S202～S204相同或相似，故其详细内容在此不再赘述。

在本实施例中，处理器344在更新静态地图之后，在步骤S407中，会进一步检视是否三维空间被完整扫描。在一些实施例中，处理器344例如是根据自走车32在三维空间中行走的路径，判断三维空间是否已被完整扫描。其中，处理器344例如是利用配置在自走车32内部或外部的定位装置，对自走车32进行定位，据以判断自走车32是否已行走完三维空间且激光雷达传感器324完成三维空间的扫描，但不限于此，处理器344可以任意方式判断三维空间是否已被完整扫描。

若处理器344判断三维空间未被完整扫描，则重复步骤S401～S406，控制自走车32在三维空间中行走，并在自走车32行走过程中，持续利用激光雷达传感器322扫描三维空间，以在不同时序产生激光雷达帧并用于更新静态地图，直到在步骤S407中判断三维空间已被完整扫描(或自走车已行走完整的三维空间)为止。即，处理器344在判断三维空间已被完整扫描时，执行步骤S408，以停止激光雷达传感器322。

本实施例通过控制自走车在三维空间中行走以利用激光雷达传感器扫描三维空间，并基于上述方法移除静态地图中的动态对象，因此可在保留完整静态对象(如：墙面、货架、门窗、隔板等)的前提下，快速建立正确的三维空间的静态地图，而有助于无人车的定位及导航。

图5A及图5B是依照本申请一实施例所绘示的空间静态地图建构方法的比较例。请先参照图5A，静态点云地图52是针对有许多人员走动的办公室空间进行扫描所得到的地图，其中并未经过移除动态点的处理，因此在通道522中存在许多人的移动轨迹，这些点将会影响无人车的定位及导航。请参照图5B，静态点云地图54则是采用本发明实施例的空间静态地图建构方法所产生的地图，由于静态点云地图54中已将人员移动所产生的动态点移除(如通道542中已移除动态点)，且静态地图保留原始静态对象的静态点，因此可确保所建的静态地图能够保留完整静态对象的结构，而提供更为准确的定位及导航信息。

综上所述，本发明的空间静态地图建构方法及系统通过将当前激光雷达帧的所有点与当前静态地图中的点进行比较，以判断是否为动态点，并进一步与先前N帧激光雷达帧比对以将曾出现过的点更正为静态点，从而可在保留完整静态对象结构的情况下，确实地将动态对象的点从静态地图中移除，而可提供更干净的静态地图供无人车进行定位及导航。

以上所述内容仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须实现本发明所公开的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用于命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

Claims (14)

1.一种空间静态地图建构方法，应用于具有处理器的电子装置，所述方法包括下列步骤：

利用激光雷达(LiDAR)传感器扫描一三维空间，以在一时序产生包括所述三维空间中多个点的激光雷达帧；

针对所述激光雷达帧中的每一所述多个点，在依据所述三维空间所建构的静态地图中寻找与所述激光雷达帧的所述点最接近的对应点，并计算所述点与所述对应点之间的距离，在所述距离超过预设阈值时标记所述点为动态点，且在所述距离未超过所述预设阈值时标记所述点为静态点；

针对所述激光雷达帧中被标记的每一所述动态点，与所述时序之前所产生的N个激光雷达帧中的多个点进行比较，若判断所述N个激光雷达帧中包括所述动态点，修正所述动态点的标记为所述静态点，所述N为正整数；以及

移除所述激光雷达帧中的所述动态点，并将所述激光雷达帧中的每一所述静态点更新至所述静态地图。

2.根据权利要求1所述的空间静态地图建构方法，其特征在于，所述空间静态地图建构方法还包括：

对所产生的所述激光雷达帧进行姿态转换，使得转换后的所述激光雷达帧的坐标轴与所述静态地图的坐标轴一致。

3.根据权利要求2所述的空间静态地图建构方法，其特征在于，对所述激光雷达帧进行姿态转换的步骤包括：

通过同时定位与地图建构技术对所述激光雷达帧进行姿态转换。

4.根据权利要求1所述的空间静态地图建构方法，其特征在于，在所述时序产生包括所述三维空间中所述多个点的所述激光雷达帧的步骤之后，所述空间静态地图建构方法还包括：

判定所述激光雷达帧是否为所述激光雷达传感器所产生的第一激光雷达帧；以及

若所述激光雷达帧为所述第一激光雷达帧，直接将所述激光雷达帧更新至所述静态地图，并基于所述激光雷达帧的坐标轴设定所述静态地图的坐标轴。

5.根据权利要求1所述的空间静态地图建构方法，其特征在于，所述空间静态地图建构方法还包括：

重复上述步骤，持续利用所述激光雷达传感器扫描所述三维空间以在不同时序产生激光雷达帧，并用于更新所述静态地图，直到所述三维空间被完整扫描后，停止所述激光雷达传感器。

6.根据权利要求1所述的空间静态地图建构方法，其特征在于，所述激光雷达帧的所述点与所述静态地图的所述对应点之间的所述距离为欧式距离。

7.一种空间静态地图建构系统，包括：激光雷达传感器以及处理装置；其中，

所述处理装置具有处理器，连接所述激光雷达传感器，所述处理器经配置用于：

利用所述激光雷达传感器扫描所述三维空间，以在一时序产生包括所述三维空间中多个点的激光雷达帧；

针对所述激光雷达帧中的每一所述多个点，在依据所述三维空间所建构的静态地图中寻找与所述激光雷达帧的所述点最接近的对应点，并计算所述点与所述对应点之间的距离，在所述距离超过预设阈值时标记所述点为动态点，且在所述距离未超过所述预设阈值时标记所述点为静态点；

针对所述激光雷达帧中被标记的每一所述动态点，与所述时序之前所产生的N个激光雷达帧中的多个点进行比较，若判断所述N个激光雷达帧中包括所述动态点，修正所述动态点的标记为所述静态点，所述N为正整数；以及

移除所述激光雷达帧中的每一所述动态点，并将所述激光雷达帧中的所述静态点更新至所述静态地图。

8.根据权利要求7所述的空间静态地图建构系统，其特征在于，所述处理器还对所产生的所述激光雷达帧进行姿态转换，使得转换后的所述激光雷达帧的坐标轴与所述静态地图的坐标轴一致。

9.根据权利要求8所述的空间静态地图建构系统，其特征在于，所述处理器通过同时定位与地图建构技术对所述激光雷达帧进行姿态转换。

10.根据权利要求7所述的空间静态地图建构系统，其特征在于，所述处理器还判定在所述时序的所述激光雷达帧是否为所述激光雷达传感器所产生的第一激光雷达帧，并在所述激光雷达帧为所述第一激光雷达帧时，直接将所述激光雷达帧更新至所述静态地图，并基于所述激光雷达帧的坐标轴设定所述静态地图的坐标轴。

11.根据权利要求7所述的空间静态地图建构系统，其特征在于，所述处理器还重复上述步骤，持续利用所述激光雷达传感器扫描所述三维空间以在不同时序产生激光雷达帧，并用于更新所述静态地图，直到所述三维空间被完整扫描后，停止所述激光雷达传感器。

12.根据权利要求7所述的空间静态地图建构系统，其特征在于，所述激光雷达帧的所述点与所述静态地图的所述对应点之间的所述距离为欧式距离。

13.根据权利要求7所述的空间静态地图建构系统，其特征在于，所述空间静态地图建构系统还包括：

自走车，其中所述激光雷达传感器配置于所述自走车上，用于在所述自走车在所述三维空间中行走时，产生包括所述三维空间中所述多个点的所述激光雷达帧。

14.根据权利要求13所述的空间静态地图建构系统，其特征在于，所述处理器还控制所述自走车在所述三维空间中行走，并在所述自走车行走过程中，持续利用所述激光雷达传感器扫描所述三维空间，以在不同时序产生激光雷达帧并用于更新所述静态地图，直到所述自走车行走完整的所述三维空间为止。

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