激光雷达室内定位技术研究及应用综述_张保.pdf

书书书第 44 卷第 3 期2023 年 3 月激光杂志LASE JOUNALVol.44，No.3March，2023http /www laserjournal cn收稿日期:20220924基金项目:国家重点研发计划(No 2020YFB1713302)、国家重点研发计划课题子任务(No 2020YFB1713302)、面向协同决策知识发现的航空装备设计制造大数据管理技术、贵州省教育厅青年科技人才成长项目(No 黔教合 KY 字 2022142 号)、山地农机“听音”智能诊断技术研究、贵州大学引进人才科研项目(No 贵大人基合字(2021)74 号)、基于点云数据的数字孪生车间建模方法研究、贵州省高等学校集成攻关大平台项目，无人机试验试飞集成公关大平台(No 黔教合 KY 字 2020 005)、贵州省高等学校人才培养基地项目，智能制造人才培养基地(No 黔教合 KY 字 2020 009)作者简介:张保(1997)，男，硕士研究生，主要研究方向无人机室内定位、激光雷达。Email:zbao112358 163 com通讯作者:张安思(1991)，男，讲师，博士。Email:zhangas gzu educn综合评述激光雷达室内定位技术研究及应用综述张保1，张安思1，2，梁国强1，张旭东1，王从宝11贵州大学机械工程学院，贵阳550025;2贵州大学公共大数据国家重点实验室，贵阳550025摘要:室内定位技术伴随机器人等在室内环境下自主作业的需要已成为热门研究领域，室内定位效果依赖其使用的传感器以及相关算法。为探索激光雷达在室内定位过程中的技术发展及相关应用，通过文献调研对基于激光雷达的室内定位原理，激光雷达产品，激光雷达室内定位技术发展展开分析。结合当下激光雷达室内定位技术的部分应用场景探索激光雷达现阶段实际应用中的不足，并提供了部分切合实际的技术解决方案。最后对基于激光雷达的室内定位技术进行了总结及展望，为后续该领域的研究提供一些可行思路。关键词:激光雷达;室内定位;点云数据优化;融合定位中图分类号:TN958.98文献标识码:Adoi:10.14016/j cnki jgzz.2023.03.001eview of lidar indoor positioning technology research and applicationZHANG Bao1，ZHANG Ansi1，2，LIANG Guoqiang1，ZHANG Xudong1，WANG Congbao11School of Mechanical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China;2State Key Laboratory of Public Big Data，Guizhou University，Guiyang 550025，ChinaAbstract:Indoor positioning technology has become a hot research field with the need of autonomous operation ofrobots in indoor environment The indoor positioning effect depends on the sensors and related algorithms In order toexplore the technological development and related application of lidar in indoor positioning process，the principles ofindoor positioning based on lidar，lidar products and the development of indoor positioning technology are analyzedthrough literature research Combined with some application scenarios of lidar indoor positioning technology，this paperexplores the shortcomings of the current practical application of lidar and provides some practical technical solutionsFinally，the indoor location technology based on lidar is summarized and projected，which provide some feasible ideasfor the subsequent research in this fieldKey words:lidar;indoor positioning;point cloud data optimization;fusion positioning1引言近年来，随着机器人与传感器技术飞速发展，室内移动机器人在机器人领域的地位举足轻重，室内定位技术研究也因此显得尤为重要1。现阶段室内定位作为新一代物联网的核心技术，市场需求巨大2。因室内空间拓扑及布局复杂易变，同时存在复杂电磁环境，导致信号传播衰落、出现多径及非视距误差等问题。这些因素导致卫星定位导航等室外定位技术在室内环境中应用精度大幅降低3。http /www laserjournal cn室内定位系统经过几十年的发展和完善。背后的技术从 WIFI4、蓝牙5、超声波6、位置指纹7 到超宽带信号8(UWB)不等。但这些技术实际应用中因缺乏高程数据，限制了三维室内定位的应用9。针对室内环境三维模型定位问题，基于激光雷达的室内定位技术逐渐成为热门研究领域。2室内定位概述室内定位指在室内环境下获取目标实际位置或相对位置数据10。在室内环境下实现定位导航、测绘作业等，都需要室内定位技术的支持，且对室内定位精度有较高要求，尤其是对传感器位置与姿态的要求11。在室外定位技术发展已商业化的背景下，工业智能应用领域逐渐向室内拓展，物联网技术的发展，服务机器人的诞生及室内作业机器人的广泛应用对室内定位技术都有着广泛的需求。高精度定位作为移动机器人的核心技术，室外环境下可依靠全球卫星导航系统定位，而在室内环境下因建筑物墙壁等障碍物的阻碍，墙面的反射，造成卫星信号的损失，实际定位精度已不能满足室内定位的需要，对机器人实现自主定位有一定限制，因此，建立一套准确实时的室内定位系统对智能机器人发展至关重要。定位服务依赖于两大模块 地图系统和定位系统12。地图系统提供空间的物理地图，定位系统识别地图中的位置。室外环境中，这两大组件均有成熟的平台。例如，用于地图绘制的高德地图13、谷歌地图14 和用于定位的北斗卫星导航15、GPS16 等。相比之下，室内定位技术由于缺乏可靠的地图绘制技术与定位框架，还存在一定的不足。目前室内定位技术主要分为基于无线网络、基于视觉和基于激光雷达 3 类。基于无线网络的室内定位技术因室内的复杂环境及信号多径传播对无线电信号造成的影响，在复杂室内环境下定位精度难以保证17。基于视觉传感器的定位方法受环境光照影响较大18。激光雷达具有分辨率高、抗干扰性强、不受光线影响等优点19。基于激光雷达的室内定位方式是目前无人系统研究领域的热门研究方向。3激光雷达设备及数据激光雷达是结合激光技术与光电检测技术的主动式非接触测量设备，能够快速准确地获取空间目标的坐标信息。3.1激光雷达定位原理激光雷达定位主要通过测量激光雷达与周围可使激光发生反射的物体间间距从而反推出激光雷达位置20。激光雷达通过精密的光束控制系统发出一束或多束激光扫描其视野环境。激光束经环境反射回扫描仪，返回的信号由光电探测器接收。通过对比分析发射信号与接收信号的差异测算出反射点距激光雷达的距离。激光雷达可输出扫描环境对应的 3D点云数据与反射激光的能量强度，其工作原理如图 1所示。图 1激光雷达工作原理3.2激光雷达设备目前已商用的激光雷达设备种类众多，常用的激光雷达设备有奥地利 egel，美国 Velodyne，中国北科天汇等公司推出的激光雷达产品21。各种激光雷达自身参数、探测数据及精度都有所差异，表 1 列举了几种 32 线程激光雷达产品部分关键数据。此外，美国 Kaman 航天公司研发出世界上第一个适用于无人机平台 的 小 型 地 形 和 水 深 激 光 扫 描 雷 达 Magiclamp22，可实现水下小型物体探测，浅水深度测量。法国 YellowScan 公司推出总重量 1.5 kg，相对精度3 cm，绝对精度 5 cm 的三维数据采集系统。Aeva 推出全球首款具有相机级分辨率的 4D 激光雷达23。表 1几类 32 线程激光雷达数据对比品名公司高程测量精度测程重量激光采样频率点密度扫描视角蜂鸟 Genius北科天绘10 cm250 m1.056 kg640 kHz200 点/平方米360*30Ultra Puck(VLP32C)美国 Velodyne正负 3 cm200 m0.925 kg20 Hz60 万点/秒306*(25+15)ITIM361S2134101德国 sick无0.0510 m1.0 kg15 Hz扫描分辨率 0.33270PLIDA A2M12亚博智能科技无16 m1.0 kg16 kHz/3602张保，等:激光雷达室内定位技术研究及应用综述http /www laserjournal cn3.3激光雷达数据来源随着公共数据集的引入，基于激光雷达的各类室内定位方式、算法得到科学客观的对比。下面列举几种激光雷达室内公共数据集:(1)ISPS 科学关于多传感器室内测绘和定位的公开基准数据集24(MIMAP)，包括室内移动激光扫描系统在各种复杂室内环境中捕获的点云数据。主要用于:(1)基于激光雷达室内同步定位与制图(SLAM);(2)建筑信息模型(BIM)特征自动提取;(3)多传感器室内定位。该数据集为基于激光雷达的室内定位建图方法研究提供了评估和比较的通用框架。MIMAP 数据集可通过 http:/mi3dmap net/网站获取。(2)室内建模 ISPS 基准数据集25，该数据集由不同传感器在不同复杂度和不同干扰的室内环境中采集的五组点云数据。同时提出了基于手动创建的参考模型和质量评估标准。数据集可由 http:/www2 isprs org/commissions/comm4/wg5/benchmarkonindoormodelling html 网站获取。4室内定位技术激光雷达室内定位技术将激光雷达传感器本身作为信号发射源与接收端，完成室内定位所需数据采集，避免卫星定位导航因建筑物遮挡造成的信号损失。室内定位过程中，多线程激光雷达通过自身旋转向四周发射激光束，激光束在接触到环境中物体时以漫反射的方式返回激光接收器，雷达模块根据时间间隔通过计算得出激光束反射点的距离位置，将采集的大量点云数据在三维空间内显示，完成室内三维建模同时可反推测算出本体位置。4.1激光雷达室内定位陌生环境内采用激光雷达进行室内定位，激光雷达数据会优先进行室内环境建模，然后进行自身位置测算。相较于此，在已有周围环境模型前提下进行室内定位，可减少数据运算，节省定位时间。对此，ESnchez26 提出将运动模型与激光雷达测量数据结合，以基础设施元素作为定位参照物完成定位。该方法主要针对运动物体在室内环境下精准定位的需求，可推动隧道等遮蔽环境下无人驾驶、室内服务型机器人的发展。运动状态下，激光雷达所采集的点云数据具有数量多、迭代速度快的特点，这要求数据处理速度能跟上数据迭代速度。吴海欣等27 提出一种基于激光雷达的有界区域快速全局定位算法，通过对图形切分提取特征向量，将定位问题转化为特征向量匹配问题，为室内激光雷达全局定位提供了有效的算法方