基于SLAM的室内移动测量系统及其应用

余建伟, 危　迟

(1. 中山大学地理科学与规划学院，广东 广州 511400； 2. 广州中海达卫星导航技术股份有限公司，广东 广州 511400； 3. 武汉海达数云技术有限公司，湖北 武汉 430023)



基于SLAM的室内移动测量系统及其应用

余建伟1,2,3, 危迟3

(1. 中山大学地理科学与规划学院，广东 广州 511400； 2. 广州中海达卫星导航技术股份有限公司，广东 广州 511400； 3. 武汉海达数云技术有限公司，湖北 武汉 430023)

据统计，人类大约80%以上的行为活动发生在室内，室内定位技术的发展促使了室内位置服务的需求。其中，室内地图是室内位置服务的重要基础，各类室内位置服务也加大了对室内三维空间信息采集的需求，在精准营销、餐饮服务、室内引导、智能制造、物流跟踪等领域拥有巨大市场前景。

区别于室外开阔的场景，人们要在无GPS信号的情况下获取室内空间高精度、多细节的三维信息非常困难。实际上，室内环境的高精度三维信息获取类似于机器人在未知环境进行定位和制图，在机器人领域称之为同步定位与制图(simultaneouslocalizationandmapping，SLAM)，因此，室内测量领域完全可以借助SLAM技术来获取室内空间数据。其中，基于LiDAR的SLAM利用激光扫描仪作为传感器获取地图数据是目前稳定、可靠、高性能的方式。

一、室内移动测量系统

2016年，中海达借助其在移动测量系统领域的优势，突破基于激光的SLAM技术，将激光扫描仪、全景相机、里程编码器集成于一体，推出了HiScan-SLAM室内移动测量系统，可用于室内定位、室内空间信息获取与成图，如图1所示。

图1　HiScan-SLAM室内移动测量系统

1. 基本原理

HiScan-SLAM室内移动测量系统工作的基本原理是在移动过程中利用定位激光扫描仪获取点云，借助编码器采集里程信息，以便于在后续的数据融合过程中使用SLAM算法解算高精度的轨迹，其中，每个轨迹点包含了采集的具体时间、全局坐标系下的位置及姿态信息，然后根据载体与三维激光扫描仪、全景相机之间的空间关系解算出在全局坐标系下激光点云坐标及拍照时刻的位置和关系，从而完成室内空间三维实景信息的获取。

2. 技术流程

HiScan-SLAM包含外业采集、内业处理和成果发布几个步骤。首先利用操控软件完成外业采集，然后通过轨迹软件进行解算，得到HiScan标准工程数据，通过成熟完整的自主软件体系进行处理，得到室内全景、室内二维图和室内三维模型，如图2所示。

图2　基于SLAM的室内移动测量系统数据处理技术流程

3. 关键技术

(1) 多传感器空间关系标定

HiScan-SLAM集成了激光扫描仪、全景相机和里程编码器等多个传感器，通过多传感器空间关系标定技术，实现对各个测量装置的空间基准、测量误差模型的构建，进行单传感器内标定及多传感器互标定，从而保证整个系统的测量级精度。

(2) 多传感器同步控制及融合

利用系统内部统一授时及时序编码同步技术建立时间基准，采用时间同步冗余控制方法，通过多传感器时间同步控制器，解决激光扫描仪、里程编码器、相机单元等多传感器间的时空基准统一及同步控制问题，实现多传感器数据采集机制在统一时间基准下进行。

(3) 基于高可靠性SLAM算法的轨迹滤波及平滑

基于高可靠性SLAM算法的轨迹滤波及平滑技术，主要用于2D、3D不同的室内外场景下，实现采集过程中轨迹点位置和姿态的实时处理，指导采集规划路线，同时也保证采集完成后的精确轨迹的正确解算，从而根据高精度的位置和姿态解算高精度激光点云和影像数据，用于后续二、三维地图生产。

二、应用领域

1. 室内测图

HiScan-SLAM能够快速获取地下空间、室内环境的三维点云和全景，行进过程中能实时显示扫描点云数据，利用点云数据能够绘制出室内空间轮廓图，为后续商场零售、停车场反向寻车、公共场所路径引导等室内定位应用提供可靠的室内地图支持，如图3所示。

图3

2. BIM建模

HiScan-SLAM能够轻松获取现代非规则建筑的室内空间信息，基于动态采集的高精度点云能为三维建模提供基础数据，结合自主研发的三维建模软件能够快速地生成模型，满足建筑物BIM建设需求，如图4所示。

图4

3. 全景导航

HiScan-SLAM除了可以获取室内空间环境的高精度点云外，还可以获取连续的全景影像，利用实景生产与发布软件生成的室内全景，结合室内二维平面图，可以对地铁站、机场、大型商场等室内空间进行全景导航，如图5所示。

图5

三、结束语

移动互联网的普及、传感技术的发展与物联网应用的兴起促使室内定位成为刚需，带动了室内空间信息获取与应用需求的日益增长。HiScan-SLAM凭借其灵活、机动的特性，基于LiDAR的SLAM技术，能够快速、实时、精准地获取室内环境的三维激光点云、全景影像和行驶轨迹，能够为室内定位、室内二三维地图和三维模型生产提供数据支持。室内移动测量系统未来在智能制造、物流跟踪、零售销售、智慧城市、智慧建筑等领域将有广阔的应用前景，市场空间巨大。

(本专栏由中海达和本刊编辑部共同主办)

基金项目：空间信息智能感知与服务深圳市重点实验室(深圳大学)开放基金(42990007)

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