移動(dòng)三維建圖Mid-40測距和建圖開(kāi)源算法

激光雷達作為新一代測繪利器，在移動(dòng)三維建圖中有著(zhù)巨大的潛力。使用激光雷達可以快速構建周?chē)h(huán)境的3D地圖，具有測量精度高、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，且不易受周?chē)h(huán)境光、雨塵等影響。針對此專(zhuān)題，香港大學(xué)MaRS實(shí)驗室(web.hku.hk/~fuzhang) 使用了Livox Mid-40激光雷達，并開(kāi)發(fā)出一種針對性的測距和建圖算法—LOAM-Livox。

圖 1 香港大學(xué)莊月明文化中心3D點(diǎn)云圖

圖 2 展示了該系統的全部組成，包括一臺配備 i7 處理器的 MacBook、一個(gè) Livox Mid-40 單元和一塊供電電池。這些設備通過(guò) 3D 打印支架進(jìn)行固定，便于手持操作。單人手持該系統在目標區域走動(dòng)即可采集數據。

圖 2 手持 LiDAR 測繪系統

該LOAM 算法僅使用一個(gè) Livox Mid-40 單元，沒(méi)有融合其他傳感器如 IMU、GPS 或攝像頭。通過(guò)運動(dòng)補償機制進(jìn)行連續掃描匹配，從而實(shí)現 LiDAR位姿的實(shí)時(shí)解算（即測距）。有了LiDAR位姿， 所有LiDAR測量的點(diǎn)云就可以投影到同一個(gè)全局坐標系中， 得到環(huán)境的三維地圖。為提升算法性能和可靠性，一系列核心問(wèn)題得以解決，包括有限視場(chǎng)下的特征提取和篩選、雜點(diǎn)剔除、移動(dòng)物體過(guò)濾以及幀內運動(dòng)補償。該算法的測距和建圖部分均可以同時(shí)在MacBook上以 20 Hz 的頻率實(shí)時(shí)運行。

僅憑一個(gè) Livox Mid-40 和一臺手提電腦，MaRS 實(shí)驗室就完成了香港科技大學(xué)主校區的高精度三維地圖測繪，如下圖示，即便是細微的細節也清晰可見(jiàn)。這一解決方案也大大降低大范圍移動(dòng)測繪的成本和門(mén)檻。

 更多實(shí)測圖如下。

圖 3、4、5 香港科技大學(xué)主校區大范圍測距和建圖

技術(shù)參數

型號                覓道 Mid-40/Mid-100

激光波長(cháng)            905 nm

安全級別            Class 1 (IEC60825-1)

量程（@100 klx）    90 m @ 10% 反射率

                    130 m @ 20% 反射率

                    260 m @ 80% 反射率

視場(chǎng)（FOV）         38.4° 圓形 (Mid-40)

                    98.4° (水平) × 38.4° (豎直) （Mid-100）

距離精度（1σ @ 20m）2 cm

角度精度            < 0.1 o

光束發(fā)散度          0.28°（垂直）x 0.03°（水平）

數據率              100,000 points/s（Mid-40）

                    300,000 points/s（Mid-100）

視場(chǎng)覆蓋率          20% @0.1s, 68% @0.5s, 93% @1s 

虛警率（@100 klx）  < 0.01%

工作溫度            -20 ?C – 65 ?C

防護級別            IP67

功率                10 W （典型）（Mid-40）

                    30 W （典型）（Mid-100）

供電電壓范圍        10 ~ 16 V DC（典型 12 V DC）

接口                以太網(wǎng)

數據同步            IEEE 1588-2008(PTPv2), PPS

尺寸                88 x 69 x 76 mm（Mid-40）

                    142 × 70 × 230 mm（Mid-100）

重量                約760 g （Mid-40）

                    約2200 g （Mid-100）

數據延遲            2 ms

移動(dòng)三維建圖Mid-40測距和建圖開(kāi)源算法