基于SLAM的室内移动测量系统及其应用

来源:《测绘通报》 作者:余建伟,危迟 2016-06-30
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1. 中山大学地理科学与规划学院,广东广州 511400;2. 广州中海达卫星导航技术股份有限公司,广东广州511400;3.武汉海达数云技术有限公司,湖北武汉 430023


一、引言

据统计,人类大约80%以上的行为活动发生在室内,室内活动场所占据了人们工作、学习、生活的绝大部分,同时,由于室内空间变得越来越庞大与复杂,人们对大型超市、商场、图书馆、医院、博物馆、停车场、机场等公共场所或陌生环境的定位与位置引导需求也越发强烈。例如:在超市、商场寻找某件特殊的商品;医院、博物馆内具体的楼层引导;停车场内反向寻车等。快速、实时、精确的室内定位能力,能够将现实世界中的物理对象,与虚拟空间的数据信息结合,室外定位是将人和具体的位置关联,而室内定位连接的是人和具体的物体。室内定位技术的发展促使了室内位置服务需求达到了前所未有高度,其中,室内地图是室内位置服务的重要基础,各类室内位置服务也加大了对室内三维空间信息采集的需求,在精准营销、餐饮服务、室内引导、智能制造、物流跟踪等领域拥有巨大市场前景。

区别于室外开阔的场景,人们要在无GPS信号情况下获取室内空间高精度、多细节的三维信息非常困难。目前,室内定位技术主要有图像、红外、超声、射频识别、蓝牙、无线局域网、超宽带、蜂窝网络、伪卫星、惯性测量单元、ZigBee等多种方式,上述方式定位精度差异较大,要在其基础上进行快速、实时的制作精确的室内地图存在瓶颈。实际上,室内环境的高精度三维信息获取类似于机器人在未知环境进行定位和制图,在机器人领域称之为同步定位与制图(SLAM,Simultaneous Localization and Mapping),因此,室内测量领域完全可以借助SLAM技术来获取室内空间数据,其中,基于Lidar的SLAM利用激光扫描仪作为传感器,获取地图数据是目前最稳定、最可靠、高性能的方式。


二、室内移动测量系统

2016年,中海达借助其在移动测量系统领域的优势,突破基于激光的SLAM技术,将激光扫描仪、全景相机、里程编码器集成于一体,推出了HiScan-SLAM室内移动测量系统,应用于室内定位、室内空间信息获取与成图。


 

2.1基本原理

HiScan-SLAM室内移动测量系统工作的基本原理是设备在移动过程中利用定位激光扫描仪获取点云,借助编码器采集里程信息,以便于在后续的数据融合过程中,使用SLAM算法解算高精度的轨迹,其中,每个轨迹点包含了采集的具体时间、全局坐标系下的位置及姿态信息,然后根据载体与三维激光扫描仪、全景相机之间的空间关系,解算出在全局坐标系下激光点云坐标及拍照时刻的位置和关系,从而完成室内空间三维实景信息的获取。

2.2技术流程

HiScan-SLAM包含外业采集、内业处理和成果发布几个步骤。利用操控软件完成外业采集,然后通过轨迹软件进行解算,得到HiScan标准工程数据,通过成熟完整的自主软件体系进行处理,得到室内全景、室内二维图和室内三维模型。

图1 基于SLAM的室内移动测量系统数据处理技术流程


2.3关键技术

(1)多传感器空间关系标定

HiScan-SLAM集成了激光扫描仪、全景相机和里程编码器等多个传感器,通过多传感器空间关系标定技术,实现对各个测量装置的空间基准、测量误差模型的构建,进行单传感器内标定及多传感器互标定,从而保证整个系统的测量级精度。

(2)多传感器同步控制及融合

利用系统内部统一授时及时序编码同步技术建立时间基准,采用时间同步冗余控制方法,通过多传感器时间同步控制器,解决激光扫描仪、里程编码器、相机单元等多传感器间的时空基准统一及同步控制问题,实现多传感器数据采集机制在统一时间基准下进行。

(3)基于高可靠性SLAM算法的轨迹滤波及平滑

基于高可靠性SLAM算法的轨迹滤波及平滑技术,主要用于2D、3D不同的室内外场景下,实现采集过程中轨迹点位置和姿态的实时处理,指导采集规划路线,同时也保证采集完成后的精确轨迹的正确解算,从而根据高精度的位置和姿态解算高精度激光点云和影像数据,用于后续

二、三维地图生产。


三、应用领域

3.1室内测图

HiScan-SLAM能够快速获取地下空间、室内环境的三维点云和全景,行进过程中能实时显示扫描点云数据,利用点云数据能够绘制出室内空间的轮廓图,为后续商场零售、停车场反向寻车、公共场所路径引导等室内定位应用提供可靠的室内地图支持。


 

3.2BIM建模

HiScan-SLAM对现代非规则建筑的室内空间信息能够轻松获取,基于动态采集的高精度点云能为三维建模提供基础数据,结合自主研发的三维建模软件能够快速的生成模型,满足建筑物BIM建设需求。



3.3全景导航

HiScan-SLAM除了可以获取室内空间环境的高精度点云,同时还可以获取连续的全景影像,利用实景生产与发布软件生成的室内全景,结合室内二维平面图,可以对地铁站、机场、大型商场等室内空间进行全景导航。


 

四、结束语

随着移动互联网的普及、传感技术的发展与物联网应用的兴起,促使室内定位成为刚需,带动了室内空间信息获取与应用需求的日益增长。HiScan-SLAM凭借其灵活、机动的特性,基于LiDAR的SLAM技术,能够快速、实时、精准的获取室内环境的三维激光点云、全景影像和行驶轨迹,能够为室内定位、室内二三维地图和三维模型生产提供数据支持。室内移动测量系统未来在智能制造、物流跟踪、零售销售、智慧城市、智慧建筑等领域将有广阔的应用前景,市场空间巨大。