基于SLAM的室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用

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(1. 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 511400； 2. 廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 511400； 3. 武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430023)

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基于SLAM的室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用

余建偉1,2,3, 危遲3

(1. 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 511400； 2. 廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 511400； 3. 武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430023)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類大約80%以上的行為活動(dòng)發(fā)生在室內(nèi)，室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展促使了室內(nèi)位置服務(wù)的需求。其中，室內(nèi)地圖是室內(nèi)位置服務(wù)的重要基礎(chǔ)，各類室內(nèi)位置服務(wù)也加大了對(duì)室內(nèi)三維空間信息采集的需求，在精準(zhǔn)營(yíng)銷、餐飲服務(wù)、室內(nèi)引導(dǎo)、智能制造、物流跟蹤等領(lǐng)域擁有巨大市場(chǎng)前景。

區(qū)別于室外開闊的場(chǎng)景，人們要在無GPS信號(hào)的情況下獲取室內(nèi)空間高精度、多細(xì)節(jié)的三維信息非常困難。實(shí)際上，室內(nèi)環(huán)境的高精度三維信息獲取類似于機(jī)器人在未知環(huán)境進(jìn)行定位和制圖，在機(jī)器人領(lǐng)域稱之為同步定位與制圖(simultaneouslocalizationandmapping，SLAM)，因此，室內(nèi)測(cè)量領(lǐng)域完全可以借助SLAM技術(shù)來獲取室內(nèi)空間數(shù)據(jù)。其中，基于LiDAR的SLAM利用激光掃描儀作為傳感器獲取地圖數(shù)據(jù)是目前穩(wěn)定、可靠、高性能的方式。

一、室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

2016年，中海達(dá)借助其在移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，突破基于激光的SLAM技術(shù)，將激光掃描儀、全景相機(jī)、里程編碼器集成于一體，推出了HiScan-SLAM室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，可用于室內(nèi)定位、室內(nèi)空間信息獲取與成圖，如圖1所示。

圖1　HiScan-SLAM室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

1. 基本原理

HiScan-SLAM室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)工作的基本原理是在移動(dòng)過程中利用定位激光掃描儀獲取點(diǎn)云，借助編碼器采集里程信息，以便于在后續(xù)的數(shù)據(jù)融合過程中使用SLAM算法解算高精度的軌跡，其中，每個(gè)軌跡點(diǎn)包含了采集的具體時(shí)間、全局坐標(biāo)系下的位置及姿態(tài)信息，然后根據(jù)載體與三維激光掃描儀、全景相機(jī)之間的空間關(guān)系解算出在全局坐標(biāo)系下激光點(diǎn)云坐標(biāo)及拍照時(shí)刻的位置和關(guān)系，從而完成室內(nèi)空間三維實(shí)景信息的獲取。

2. 技術(shù)流程

HiScan-SLAM包含外業(yè)采集、內(nèi)業(yè)處理和成果發(fā)布幾個(gè)步驟。首先利用操控軟件完成外業(yè)采集，然后通過軌跡軟件進(jìn)行解算，得到HiScan標(biāo)準(zhǔn)工程數(shù)據(jù)，通過成熟完整的自主軟件體系進(jìn)行處理，得到室內(nèi)全景、室內(nèi)二維圖和室內(nèi)三維模型，如圖2所示。

圖2　基于SLAM的室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程

3. 關(guān)鍵技術(shù)

(1) 多傳感器空間關(guān)系標(biāo)定

HiScan-SLAM集成了激光掃描儀、全景相機(jī)和里程編碼器等多個(gè)傳感器，通過多傳感器空間關(guān)系標(biāo)定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)測(cè)量裝置的空間基準(zhǔn)、測(cè)量誤差模型的構(gòu)建，進(jìn)行單傳感器內(nèi)標(biāo)定及多傳感器互標(biāo)定，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量級(jí)精度。

(2) 多傳感器同步控制及融合

利用系統(tǒng)內(nèi)部統(tǒng)一授時(shí)及時(shí)序編碼同步技術(shù)建立時(shí)間基準(zhǔn)，采用時(shí)間同步冗余控制方法，通過多傳感器時(shí)間同步控制器，解決激光掃描儀、里程編碼器、相機(jī)單元等多傳感器間的時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一及同步控制問題，實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)采集機(jī)制在統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下進(jìn)行。

(3) 基于高可靠性SLAM算法的軌跡濾波及平滑

基于高可靠性SLAM算法的軌跡濾波及平滑技術(shù)，主要用于2D、3D不同的室內(nèi)外場(chǎng)景下，實(shí)現(xiàn)采集過程中軌跡點(diǎn)位置和姿態(tài)的實(shí)時(shí)處理，指導(dǎo)采集規(guī)劃路線，同時(shí)也保證采集完成后的精確軌跡的正確解算，從而根據(jù)高精度的位置和姿態(tài)解算高精度激光點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)，用于后續(xù)二、三維地圖生產(chǎn)。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

1. 室內(nèi)測(cè)圖

HiScan-SLAM能夠快速獲取地下空間、室內(nèi)環(huán)境的三維點(diǎn)云和全景，行進(jìn)過程中能實(shí)時(shí)顯示掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠繪制出室內(nèi)空間輪廓圖，為后續(xù)商場(chǎng)零售、停車場(chǎng)反向?qū)ぼ?、公共?chǎng)所路徑引導(dǎo)等室內(nèi)定位應(yīng)用提供可靠的室內(nèi)地圖支持，如圖3所示。

圖3

2. BIM建模

HiScan-SLAM能夠輕松獲取現(xiàn)代非規(guī)則建筑的室內(nèi)空間信息，基于動(dòng)態(tài)采集的高精度點(diǎn)云能為三維建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合自主研發(fā)的三維建模軟件能夠快速地生成模型，滿足建筑物BIM建設(shè)需求，如圖4所示。

圖4

3. 全景導(dǎo)航

HiScan-SLAM除了可以獲取室內(nèi)空間環(huán)境的高精度點(diǎn)云外，還可以獲取連續(xù)的全景影像，利用實(shí)景生產(chǎn)與發(fā)布軟件生成的室內(nèi)全景，結(jié)合室內(nèi)二維平面圖，可以對(duì)地鐵站、機(jī)場(chǎng)、大型商場(chǎng)等室內(nèi)空間進(jìn)行全景導(dǎo)航，如圖5所示。

圖5

三、結(jié)束語

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的普及、傳感技術(shù)的發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起促使室內(nèi)定位成為剛需，帶動(dòng)了室內(nèi)空間信息獲取與應(yīng)用需求的日益增長(zhǎng)。HiScan-SLAM憑借其靈活、機(jī)動(dòng)的特性，基于LiDAR的SLAM技術(shù)，能夠快速、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地獲取室內(nèi)環(huán)境的三維激光點(diǎn)云、全景影像和行駛軌跡，能夠?yàn)槭覂?nèi)定位、室內(nèi)二三維地圖和三維模型生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)未來在智能制造、物流跟蹤、零售銷售、智慧城市、智慧建筑等領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景，市場(chǎng)空間巨大。

(本專欄由中海達(dá)和本刊編輯部共同主辦)

基金項(xiàng)目：空間信息智能感知與服務(wù)深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(深圳大學(xué))開放基金(42990007)

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