移動三維建圖Mid-40測距和建圖開源算法

激光雷達作為新一代測繪利器，在移動三維建圖中有著巨大的潛力。使用激光雷達可以快速構(gòu)建周圍環(huán)境的3D地圖，具有測量精度高、方向性好等優(yōu)點，且不易受周圍環(huán)境光、雨塵等影響。針對此專題，香港大學(xué)MaRS實驗室(web.hku.hk/~fuzhang) 使用了Livox Mid-40激光雷達，并開發(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點云圖

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

圖 2 手持 LiDAR 測繪系統(tǒng)

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

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

 更多實測圖如下。

圖 3、4、5 香港科技大學(xué)主校區(qū)大范圍測距和建圖

技術(shù)參數(shù)

型號                覓道 Mid-40/Mid-100

激光波長            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（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(shù)據(jù)率              100,000 points/s（Mid-40）

                    300,000 points/s（Mid-100）

視場覆蓋率          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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)延遲            2 ms

移動三維建圖Mid-40測距和建圖開源算法