基于激光雷達(dá)構(gòu)建室外三維點云地圖的研究

王 晉

(山西大眾電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024)

0 前言

隨著科技的進(jìn)步和多學(xué)科的交叉融合，人工智能領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入了飛速發(fā)展的時代，其中，包含環(huán)境識別與定位建圖、自主導(dǎo)航與路徑規(guī)劃、行為控制與運動執(zhí)行等多種功能的無人駕駛技術(shù)，成為人工智能領(lǐng)域的研究熱點[1]。無人駕駛技術(shù)中，要想實現(xiàn)自主導(dǎo)航，首先要明確無人車自身以及周圍障礙物的狀態(tài)和位置，這就需要借助傳感器的感知能力獲得目標(biāo)環(huán)境的三維空間模型，從而實現(xiàn)無人車的環(huán)境感知、定位建圖的功能。常用的傳感器主要有激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭等。其中，激光雷達(dá)是基于激光測距原理，直接得到與周圍目標(biāo)的距離和角度，獲得大量的點云數(shù)據(jù)，從而對周圍空間環(huán)境進(jìn)行描述，生成地圖。激光雷達(dá)具有精度高、受光照強(qiáng)度等環(huán)境因素影響較小的優(yōu)點[2]，適合室外環(huán)境的建圖。

跟室內(nèi)環(huán)境構(gòu)建三維點云地圖相比，室外環(huán)境主要有以下幾個技術(shù)難點：對傳感器要求更高，室內(nèi)定位多采用里程計融合慣性測量單元的方法，在短距離內(nèi)可以忽略累計誤差的影響，但室外空間大、距離遠(yuǎn)，需使用NDT算法，結(jié)合GPS或RTK實現(xiàn)高精度定位[3]；室內(nèi)環(huán)境距離短、多為靜態(tài)，可用三角測距法，室外測距范圍大、多為動態(tài)，要用飛行時間測量法，且反射信號是在不同時間接收的，加上激光雷達(dá)的運動，點云會出現(xiàn)變形[4]；室內(nèi)環(huán)境特征點更穩(wěn)定、更易提取，室外環(huán)境存在不固定性、特征匹配難度變高[5-6]；點云數(shù)據(jù)匹配算法不同，針對室外環(huán)境產(chǎn)生的大量點云數(shù)據(jù)，需要選用合適的算法來精確地匹配點云、提高匹配效率[7]。Autoware是世界上第一款用于自動駕駛領(lǐng)域的“一體化”開源框架，包含建圖、定位、感知、規(guī)劃和運動控制等自動駕駛的關(guān)鍵技術(shù)，依賴于ROS(機(jī)器人操作系統(tǒng))可提供豐富的開發(fā)和使用資源。本文中，利用五菱迷你電動車，基于鐳神16線激光雷達(dá)，借助Autoware軟件，設(shè)計和實現(xiàn)了室外封閉小區(qū)域的三維點云地圖的構(gòu)建。

1 設(shè)計過程

本文中激光雷達(dá)選用的是深圳市鐳神智能系統(tǒng)有限公司的鐳神多線激光雷達(dá)C16。該雷達(dá)外殼內(nèi)，安裝有16對固定在軸承上的激光發(fā)射與接收裝置，通過內(nèi)部電機(jī)(轉(zhuǎn)速為5、10或20 rpm)沿順時針旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行360°全景掃描，生成目標(biāo)環(huán)境的三維點云地圖。激光雷達(dá)外形圖如圖1所示。

1.1 激光雷達(dá)上裝

激光雷達(dá)安裝由4個安裝孔定位來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)線接口位置為規(guī)定的水平角度180°。采用鋁板將激光雷達(dá)固定在車頂，如圖2所示。設(shè)備供電電源推薦輸入電壓使用12 V DC。

圖1 激光雷達(dá)外形圖 圖2 激光雷達(dá)上裝圖

1.2 激光雷達(dá)測距原理

激光雷達(dá)測距原理為飛行時間測量法：在每一次測距時，激光雷達(dá)內(nèi)部的發(fā)射器發(fā)出激光脈沖，內(nèi)部定時器開始計時(設(shè)為t1)，當(dāng)光波碰到物體部分能量被反射回來，激光接收器收到返回的激光信號時，停止內(nèi)部定時器計時(設(shè)為t2)。

距離=光速×(t2-t1)/2

.

該系列激光雷達(dá)測距精度為±3 cm，最小測程0.5 m，最大測程150 m(反射率為70%)。

1.3 激光雷達(dá)標(biāo)定

激光雷達(dá)與車體為剛性連接，兩者之間的相對位置和姿態(tài)固定不變。為了建立激光雷達(dá)與車體之間的相對坐標(biāo)關(guān)系，需要對激光雷達(dá)的安裝進(jìn)行標(biāo)定，使激光雷達(dá)數(shù)據(jù)從激光雷達(dá)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至車體坐標(biāo)系上。

激光雷達(dá)坐標(biāo)系與車體坐標(biāo)系的相對關(guān)系包括旋轉(zhuǎn)角度與平移位置的差值，其中平移位置差值可通過激光測距儀等測量工具來測得。旋轉(zhuǎn)角度差值分為3個方向的角度差，即俯仰角(pitch)、翻滾角(roll)和航向角(yaw)。

本文中使用的激光雷達(dá)自帶內(nèi)部定位孔，將激光雷達(dá)通過定位銷上裝到車頂后，即可實現(xiàn)激光雷達(dá)水平方向和垂直方向的標(biāo)定。使用附帶的傾角傳感器進(jìn)行水平x軸和y軸方向上的角度測量，可以檢測和驗證標(biāo)定結(jié)果。激光雷達(dá)最終的標(biāo)定位置為x：0.7；y：0；z：1.8；yaw、pitch、roll均為0。

1.4 激光雷達(dá)通信協(xié)議

激光雷達(dá)對外通信接口為以太網(wǎng)，與電腦之間使用UDP協(xié)議，協(xié)議包均為1248字節(jié)定長，與電腦的通信協(xié)議主要分三類：主數(shù)據(jù)流輸出協(xié)議、設(shè)備信息輸出協(xié)議、用戶權(quán)限寫入?yún)f(xié)議。

其中，主數(shù)據(jù)流輸出協(xié)議是將激光雷達(dá)掃描出來的距離、角度、反射率等信息封裝成包輸出給電腦；設(shè)備信息輸出協(xié)議用來監(jiān)聽此設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的各種配置信息；用戶權(quán)限寫入?yún)f(xié)議中，用戶可以根據(jù)自己需求，重新修改設(shè)備的某些配置參數(shù)。

1.5 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸

激光雷達(dá)的掃描測距數(shù)據(jù)可通過其提供的UART或USB接口來傳輸。數(shù)據(jù)信息包括激光回波的反射率值，實測距離值，角度值，時間戳。一個完整的主數(shù)據(jù)流輸出協(xié)議的數(shù)據(jù)格式結(jié)構(gòu)包括幀頭、子幀、幀尾，每個數(shù)據(jù)包長1248字節(jié)，其中42字節(jié)為UPD封包所用，1200字節(jié)子幀數(shù)據(jù)包區(qū)間，4字節(jié)時間戳，2字節(jié)幀尾。

1.6 軟件設(shè)計

本文中，基于鐳神C16激光雷達(dá)對室外封閉小區(qū)域的環(huán)境構(gòu)建三維點云地圖時，需要借助Autoware軟件。其默認(rèn)的激光雷達(dá)為velodyne 16線激光雷達(dá)，故使用其他品牌的激光雷達(dá)時，需在對應(yīng)的程序文件中更改話題名稱和點云的坐標(biāo)系。

2 構(gòu)建三維點云地圖

首先運行Autoware軟件，然后啟動激光雷達(dá)節(jié)點。

2.1 錄制點云數(shù)據(jù)

在Autoware界面，點擊ROSBAG按鈕，在彈出的對話框中點擊Refresh按鈕刷新話題列表，勾選/points_raw。點擊Start按鈕，開始錄制數(shù)據(jù)。駕駛汽車在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)走完一圈后，點擊Stop按鈕，停止錄制數(shù)據(jù)。

2.2 構(gòu)建點云地圖

構(gòu)建三維點云地圖時，需要完成world(世界坐標(biāo)系)到map(地圖坐標(biāo)系)、map到base_link(車體坐標(biāo)系)、base_link到velodyne(傳感器坐標(biāo)系)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示。

圖3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

world到map、base_link到velodyne的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換用TF工具即可，它們都是固定的。前者是在Autoware界面，選擇Map頁面，點擊TF右側(cè)的Ref按鈕，加載對應(yīng)的launch文件，點擊TF按鈕。后者是選擇Setup頁面，點選Velodyne，填寫激光雷達(dá)標(biāo)定的x、y、z、yaw、pitch、roll數(shù)值，點擊TF按鈕，點擊Vehicle Model按鈕(其后為空表示加載默認(rèn)模型)。以上坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換如圖4(a)、(b)所示。

圖4 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

map到base_link的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，選擇Computing頁面，勾選ndt_mapping，如圖5所示。

坐標(biāo)變換設(shè)置完成后，選擇Simulation頁面，點擊Ref按鈕，加載錄制好的bag文件，將Start Time設(shè)為0，點擊Play按鈕播放數(shù)據(jù)進(jìn)行建圖。在建圖過程中，查看終端輸出信息，顯示Process/Input(已處理點云幀數(shù)/加載點云幀數(shù))的數(shù)值前后相等時，表示數(shù)據(jù)處理完成。

圖5 map到base_link的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

當(dāng)數(shù)據(jù)包播放結(jié)束后，建圖完成，選擇Computing頁面，點擊ndt_mapping右側(cè)的app按鈕，點擊Ref按鈕選擇地圖保存路徑，點擊PCD OUTPUT按鈕，導(dǎo)出點云地圖。

2.3 查看點云地圖

選擇Map頁面，點擊Point Cloud右側(cè)的Ref按鈕，加載保存的.pcd文件，點擊Point Cloud按鈕，進(jìn)度條顯示OK，加載完畢。打開Rviz查看點云地圖。

2.4 NDT算法

構(gòu)建點云地圖的過程，是將激光雷達(dá)掃描到的一幀幀點云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配和拼接的過程。

本文中，使用NDT算法(ndt_mapping)實現(xiàn)精確地匹配點云。NDT最初在2003年提出，只用作2D點云匹配；在2009年3D NDT被提出，通過一系列局部概率密度函數(shù)，將點云轉(zhuǎn)化為一種平滑的曲面表達(dá)方式。Autoware軟件使用3D NDT算法對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行一幀幀匹配，然后直接將配準(zhǔn)后的點云疊加在一起，從而構(gòu)成三維點云地圖。該方式能夠忽略單幀點云配準(zhǔn)誤差，依賴NDT匹配時對噪聲不敏感的特性消除累積誤差。

NDT算法使用概率分布的概念來對點云的形狀進(jìn)行描述，充分考慮了點云的幾何特性，能夠有效地提高匹配效率。然而，因為該算法是基于非線性優(yōu)化的，故在遇到誤差較大的初值時，極易落入局部極值中。此外，每個柵格只在其范圍內(nèi)對局部概率有效，選擇的柵格尺寸過小會導(dǎo)致算法對于初值的敏感度增加，而選擇柵格的尺寸過大會使稀疏點云無法配準(zhǔn)?？梢詫ζ溥M(jìn)行一定的約束，如回環(huán)檢測、使用RTK或者組合導(dǎo)航來進(jìn)行后端的優(yōu)化，進(jìn)一步提高匹配準(zhǔn)確度。

3 結(jié)論

基于鐳神16線激光雷達(dá)，借助Autoware軟件，本文設(shè)計和實現(xiàn)了室外封閉區(qū)域的三維點云地圖構(gòu)建。點云地圖的構(gòu)建使用了基于柵格地圖的NDT算法，其優(yōu)點是有更快的運行速度，且不受環(huán)境中細(xì)微變化的影響，可在室外封閉區(qū)域?qū)崿F(xiàn)較好的三維點云地圖構(gòu)建。但在回環(huán)路徑很大、沒有初始相對位姿的情況下，由于累積誤差的原因，僅基于NDT算法制作的地圖會與真實地圖的差異較大，需要對其進(jìn)行一定的約束，如回環(huán)檢測、使用RTK或者組合導(dǎo)航來完成后端優(yōu)化。