[发明专利]一种基于全站仪的激光雷达数据融合的点云地图构建方法

权利要求书

1.一种基于全站仪的激光雷达数据融合的点云地图构建方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、搭载着激光雷达及全站仪测量棱镜的无人系统在按照预定直线轨迹行驶的过程中采集全站仪测量数据与激光雷达点云数据，并对所述全站仪测量数据与激光雷达点云数据进行融合，得到一幅局部地图；

S2、按照不同的直线行驶轨迹多次重复步骤S1，得到若干幅局部地图；然后在若干幅所述局部地图中分别提取初始帧点云的先验平面特征，并计算各局部点云地图之间的航向偏差；

S3、通过所述全站仪测量棱镜测量各局部地图的位置偏差和所述步骤S1中的各局部点云地图之间的航向偏差，对各幅局部地图进行融合，得到全局地图。

2.根据权利要求1所述的基于全站仪的激光雷达数据融合的点云地图构建方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

S11、无人系统按照预定的直线轨迹行驶，并通过所述激光雷达等间隔采集激光雷达点云作为关键帧，得到相邻两个关键帧位姿之间的相对约束；

S12、通过所述全站仪测量棱镜采集全站仪测量数据，得到每个关键帧位姿的观测约束；

S13、将所述相对约束和所述观测约束进行联合优化，构建联合优化函数；

S14、对所述联合优化函数进行线性化处理，得到线性优化函数；

S15、基于所述线性优化函数，求解出每个关键帧点云的优化增量；并利用所述优化增量对原有的关键帧位姿进行更新，得到一幅局部地图。

3.根据权利要求2所述的基于全站仪的激光雷达数据融合的点云地图构建方法，其特征在于，所述步骤S13是采用图优化算法对所述相对约束和所述观测约束进行联合优化的。

4.根据权利要求1所述的基于全站仪的激光雷达数据融合的点云地图构建方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

S21、根据待建图环境大小设定多条无人系统数据采集的直线轨迹，并重复步骤S1，得到若干幅局部地图；

S22、根据平面特征特性，对若干个所述局部地图中的的初始帧点云进行点云分隔，得到若干个平面点云；

S23、在所述若干个平面点云中提取出占比最大的平面点云，并对其进行平面拟合；

S24、基于步骤S23，计算各局部地图之间的航向偏差。

5.根据权利要求4所述的基于全站仪的激光雷达数据融合的点云地图构建方法，其特征在于，所述步骤S22具体为：

S22.1、计算所述初始帧点云的法线，并采用特征直方图思想对所述法线的三维特征进行分析，得到所述初始帧点云的粗聚类；

S22.2、将所述法线的三维特征区间分别等分为m个特征区间，并排列组合形成m³个三维特征区间，得到法线特征直方图；

S22.3、将所述初始帧点云根据法线特征参数投放到不同的特征区间，得到激光雷达三维扫描特征直方图。

6.根据权利要求4所述的基于全站仪的激光雷达数据融合的点云地图构建方法，其特征在于，所述步骤S23具体为：

对特征区间内点云进行平面拟合形成平面方程，计算拟合的若干个平面的偏差，当所述偏差小于设定阈值时，将两特征区间内的点云数据合并；然后根据设定的空间模型平面数量选取数据量最大的一组特征区间内的点云通过RANSAC算法滤波去除奇异值，最后对其进行粗拟合形成平面方程。

7.根据权利要求1所述的基于全站仪的激光雷达数据融合的点云地图构建方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

S31、利用全站仪测量棱镜测量每个局部点云地图坐标系到全局地图坐标系的位置偏差；

S32、将步骤S31测得的每个局部点云地图坐标系到全局地图坐标系的位置偏差和各个局部点云地图之间的航向偏差进行联合，得到局部点云地图到全局点云地图的转换矩阵；

S33、利用所述转换矩阵，将局部地图进行变换统一到全局地图坐标系中，得到全局地图。

8.根据权利要求1所述的基于全站仪的激光雷达数据融合的点云地图构建方法，其特征在于，所述步骤S33具体为：

其中，ξ^global为全局地图点云，为第k幅局部地图点云，为第k个局部地图坐标系到全局地图坐标系的转换矩阵。