基于SLAM的三维激光测量技术研究

发布时间：2020-10-09 20:54

　　 近年来,随着激光扫描测量技术的快速发展,其在数字城市、灾害监测、海岸工程、林业调查等方面具有非常广阔的应用前景。高精度的激光测量对位姿的精度要求比较高,需要有高精度的定位算法支持。同步定位和地图构建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)理论的发展打破了传统定位方式的局限性,充分发挥了传感器的自身优势,达到了良好的定位和环境构建效果。随着SLAM理论在激光扫描测量领域的应用,激光扫描测量技术的测绘精度得到了很大的提高,因此激光SLAM技术也越来越受到重视。本文设计与实现了一套高自主性的激光扫描系统(简称LIDAR系统),并且对激光SLAM技术进行研究,在LIDAR系统中利用激光SLAM技术完成较高精度的定位和构建三维点云测绘图的任务,本文主要研究内容如下:(1)根据课题需求设计的三维激光扫描系统实现了激光、惯性测量单元(IMU)数据的实时同步采集,并在地面工作站中完成对三维点云的显示、存储、滤波以及一系列算法处理工作。(2)本文设计了基于SLAM的三维激光测量技术的基本框架,然后根据激光SLAM理论的基本模块制定了LIDAR系统的激光SLAM算法步骤。本文针对点云模型介绍了基于平滑度参数的点云特征提取方法的优势,通过对系统的运动分析,实现了基于Levenberg-Marquardt的里程计估计和地图匹配优化方案,最后通过多个实验分析基于Levenberg-Marquardt的激光SLAM算法的优势与不足。(3)针对基于Levenberg-Marquardt的激光SLAM算法在姿态快速变化情况下的不足,本文利用IMU对其进行优化,设计并实现了基于扩展卡尔曼滤波和加权融合的数据融合方法,对估计姿态进行优化,最后通过实验数据分析其对基于LevenbergMarquardt的激光SLAM算法的改善作用。本文所设计的基于融合IMU激光SLAM算法的三维激光测量技术在实际课题项目中得到应用,其测量精度符合项目需求,误差小于5厘米。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN249
【部分图文】：

第二章 LIDAR 系统的设计与实现 Velodyne 公司的小型三维激光扫描仪 VLP-16 P扫描距离在 1 至 100 米之间，重量仅有 590 克，于小型移动平台。该扫描仪由 16 线激光通道组垂直视角一共为±15°，保证了反射点分布的均匀部件匀速带动激光通道旋转，水平旋转角为 360°，采集速率为 30 万点/秒。设备内置支持 RJ45 和通信接口，保证了数据的实时性和吞吐量。VLP、强度反射率、扫描角和时间戳等信息组成，支8 字节，数据包发送频率为 754Hz，每个 UDP 数包含 16 线激光通道采集的数据，即一个数据包最图如图 2-2 所示。

图 2-3ADIS16480 实物L系统与数据接收系统之间的关重要。本系统选取了 NaDDL 无线传输模块支持点对约为 16 公里，具有高带宽（核心板体积为 2cm*1.5cm括 RS485，RS422、RS232 和LIDAR 系统中，需要建立数L 无线传输模块来实现远距个以实体装置的形式通过网

图 2-3ADIS16480 实物输模块 Nano DDL块作为数据采集系统与数据接收系统之间的桥梁，承担着稳作，其可靠性至关重要。本系统选取了 Nano 公司的 Nano -4 所示。Nano DDL 无线传输模块支持点对点、点对多点两定传输距离最大约为 16 公里，具有高带宽（最高可达 12M重量轻、体积小（核心板体积为 2cm*1.5cm*0.5cm）的特点。该模块接口包括 RS485，RS422、RS232 和一个 100Mbps 以本文所设计的 LIDAR 系统中，需要建立数据采集端和地面要使用一对 DDL 无线传输模块来实现远距离通信，其中一据采集端，另一个以实体装置的形式通过网线直接与地面工

【参考文献】

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1 何婧;吴跃;杨帆;尹春雷;周维;;基于KD树和R树的多维云数据索引[J];计算机应用;2014年11期

2 李臻立;刘涛;刘铁;张佐星;张雅琴;;无人机载LiDAR系统减震系统设计及误差分析[J];湖北电力;2014年02期

3 聂鹏;李佩华;李正强;郑旺;宋平;;基于卡尔曼滤波的小型无人机姿态估计算法研究[J];沈阳航空航天大学学报;2013年06期

4 赵璐璐;耿国华;李康;何阿静;;基于SURF和快速近似最近邻搜索的图像匹配算法[J];计算机应用研究;2013年03期

5 杜小燕;姜晓峰;郝传刚;王玉梅;;点云模型的双边滤波去噪算法[J];计算机应用与软件;2010年07期

6 李晓天;张铁强;张胜勇;南宝江;郭晓东;;基于激光三角法的小物体尺寸测量及三维重构系统[J];光学仪器;2008年06期

7 朱林华;蔡勇;;一种节省内存的点云中K最近邻算法[J];兵工自动化;2008年07期

8 董洪伟;;求k邻域的体素栅格算法研究[J];计算机工程与应用;2007年21期

9 吴剑煌;刘伟军;王天然;王华兵;;点采样曲面的曲率估计[J];仪器仪表学报;2006年12期

10 欧阳俊华;;近距离三维激光扫描技术[J];红外;2006年03期

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1 张光华;全球导航卫星系统辅助与增强定位技术研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

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3 武星;视觉导航的轮式移动机器人运动控制技术研究[D];南京航空航天大学;2010年

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2 王守宽;基于MEMS低成本微型捷联惯性导航系统研究[D];北京理工大学;2016年

3 熊艳;移动机器人激光导航系统研究与实现[D];重庆邮电大学;2016年

4 李恒星;激光雷达点云特征分析与数据分割[D];西安电子科技大学;2014年

5 孙正林;三维激光扫描点云数据滤波方法研究[D];中南大学;2011年

6 秦军;Runge-Kutta法在求解微分方程模型中的应用[D];安徽大学;2010年

7 徐尚;三维点云数据拼接与精简技术的研究[D];中国海洋大学;2009年

本文编号：2834183