1.一种基于NDT配准与轮式里程计的激光雷达运动畸变补偿方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:步骤1,轮式里程计运动估计,过程如下:
1.1设X={xi},i=1,…,n为一帧点云集合,xi表示第i个点的二维坐标向量,Xk表示第k帧点云,x(k,i)表示第k帧中的第i个点,记t为当前时间戳,则 是第k帧的起始时间,则 是第k帧的第i个点的时间,由于激光雷达连续扫描的特性,故第k帧的结束时间 与k+1帧的起始时间 是相等的,激光雷达坐标系{L}是一个二维坐标系,其原点位于激光雷达的几何中T T心,第k帧雷达坐标系{Lk}中的第i个点表示为 p=[p1 p2 p3]=[x y θ] 表示位姿向量,世界坐标系{W}是一个二维坐标系,在初始位置与{L}重合,第k帧世界坐标系{Wk}中轮式里程计 时刻的位姿表示为
1.2第k帧起始时间与终止时间分别为 和 轮式里程计在对应时间戳内的测量位姿为其中 表示第k帧世界坐标系中轮式里程计位姿集合,p(k,i)是在第k帧时间区间 内 时刻的位姿, 是第k帧 对应的轮式里程计位姿,借助线性插值可得 时刻的雷达估计位姿 如下式所示:步骤2,帧间坐标变换,过程如下:
2.1由于雷达通常在移动中扫描,故Xk中每一点都有帧坐标系,运动中的雷达位姿用一个3×3的变换矩阵T表示,如式(2):其中R为2×2的旋转矩阵,t为1×2的平移向量;
2.2对不同帧间坐标系的点x(k,i)使用匹配的轮式里程计位姿从而校正畸变的点云,激光雷达在 时刻采集的点通过公式(3)映射到雷达的起始帧中,计算如下:其中 表示 时刻从雷达帧到世界帧的变换矩阵;
步骤3,优化运动畸变补偿,过程如下:
3.1机器人周围的二维空间被规划地分为大小相同的单元,收集在二维空间内第k帧点云Xk,找出包含扫描点的单元,分别计算该单元中扫描点样本x(k,i)的平均值qk和协方差矩阵∑k:
3.2建立该单元中扫描点样本概率密度的正态分布模型为
其中,exp为指数函数,p(x)扫描点正太分布的概率;
3.3 表示通过轮式里程计提供的初始值将第k+1帧扫描点x(k+1,i)映射到第k帧坐标系,∑(k,i)和q(k,i)分别表示点 对应的第k帧正态分布模型的协方差矩阵与平均值,利用参数∑(k,i)和q(k,i)计算所有点 的正态分布累加和的最大值,记总和s(p)的定义为:其中,p为待估计的位姿向量参数,argmax表示p是令函数s(p)取得最大值的参数;
3.4由于优化问题一般被描述为最小化问题,因此将函数s(p)表示为‑s(p),Newton法可以寻找令函数最优的参数p,采用Newton法迭代求解方程,方程如式(7)所示:HΔp=‑g (7)
H和g分别是s(p)的Hessian矩阵和梯度向量,为简化公式,令 梯度向量g中的元素gi为Hessian矩阵H中的元素Hij为
3.5等式(7)的解是增量Δp,在每次迭代中将Δp添加到当前估计位姿p0,下一次迭代初始值为p:p=p0+Δp (10)
3.6通过对当前帧估计位姿迭代优化,计算出精准位姿参数p,将p与p'的差值作为轮式里程计误差,使误差均匀分布到每帧,引入式(1),给出如式(11)形式:其中,n为第k帧中点x(k,i)的数量,p'为轮式里程计位姿增量。