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利用OxTS LIO 改进旧金山的导航数据

行业文章 2024 年 2 月 9 日

2023 年 9 月,OxTS 派出一支团队前往旧金山,绘制城市地图并收集激光雷达点云数据。

此行的目的是测试新的RT3000 v4 惯性导航系统(INS)的性能,以及使用OxTS 激光雷达惯性测距仪(LIO)改进导航数据的有效性。

RT3000 v4 是OxTS 的最新 GNSS/INS 技术。它将我们最新的 IMU10 技术与勘测级 GNSS 接收器相结合,可输出厘米级的定位精度。OxTS LIO 是OxTS 的最新创新软件,它使用激光雷达来限制城市峡谷中的位置漂移。

为什么选择旧金山?

旧金山是自动驾驶汽车测试的标准试验场之一。它将宽阔的郊区街道、极度倾斜的斜坡、城市峡谷、隧道和乡村山路独特地结合在一起,成为传统上依赖全球导航卫星系统的导航技术的绝佳测试场地。

道路两侧高楼林立,高空障碍物众多,要在这样的环境中收集准确可靠的导航数据非常具有挑战性。通过使用OxTS LIO,团队能够稳定并改进导航数据,即使是在全球导航卫星系统不支持的环境中也是如此。

要想在建筑密集区准确导航,或在城市峡谷中创建勘测级激光雷达点云,就需要在整个轨迹中尽可能获得最精确的导航数据。当遇到高楼、反射面或高空物体等 GNSS 难点时,这将是一个真正的挑战。因此,仅使用厘米级精度的全球导航卫星系统进行城市导航几乎是不可能的。

三藩市

INS 设备使用 IMU 来稳定计算出的轨迹,但在特别困难的城市环境中,GNSS 经常中断,可以利用其他辅助源来进一步提高性能。增加激光雷达和OxTS LIO 后,可在最恶劣的环境中提供测量级导航数据。该软件利用激光雷达传感器的零速度更新,在没有全球导航卫星系统的情况下限制位置漂移。

硬件和软件设置

在测试过程中,团队使用了以下设备:OxTS INS 设备(RT3000 v4)和激光雷达(Hesai XT32)。使用 LIO 的设备在物理设置上没有任何特殊之处,其设置与任何其他 INS/LiDAR 配置相同。OxTS LIO 算法对导航数据进行优化,并在后处理中运行。

 

OxTS 和Hesai

 

数据改进

在测试过程中,团队目睹了在一些传统的困难环境中导航性能的显著提高。下面的例子就说明了这一点:

 

斯通斯敦多层停车场

多层停车场内没有全球导航卫星系统。传统上,这意味着高精度移动测绘和导航相关项目 "禁止 "进入这些区域。这是因为在不到一分钟的时间内,导航设备的轨迹就会产生几米的位置误差,从而导致数据失效。在大多数情况下,必须使用昂贵、耗时的静态制图。

但是,使用OxTS LIO 和OxTS RT3000 v4 后,该区域就变成了项目的另一部分,无需采取特别措施。从下图可以看出,RT3000 v4 在轨迹方面做得很好,而OxTS LIO 则进一步限制了位置漂移,从而改进了导航输出。

RT3000 v4 不仅能提高导航性能,还能通过OxTS LIO 提高点云精度。由于导航数据的改进,产生的点云不再模糊不清、重影重重,而是像勘测的其他部分一样清晰明了。

 

使命街

在城市环境中收集精确的导航数据时,最大的挑战之一就是全局框架的精确性和一致性。旧金山市中心区面临着各种可能的挑战,包括隧道、高层建筑、反光表面、狭窄街道、极端坡度和高空物体。对全球导航卫星系统的持续干扰使其成为自动驾驶应用和移动制图的强大测试工具。

在这种情况下,不仅是断断续续的全球导航卫星系统更新和 IMU 漂移会造成位置误差,反射面也会带来多路径误差的巨大风险,其中卫星信号会从建筑物上反射下来,造成巨大的位置误差。这可能会使 INS 的轨迹变得不稳定和不可预测。

在测试过程中,RT3000 v4 本身就非常精确,而与OxTS LIO 配合使用时,几乎可以说是天衣无缝。OxTS LIO 可使 INS 在城市中保持稳定一致的路径,从而过滤掉所有多路径信号。

 

 

这样得到的点云精确度始终保持在厘米级,没有任何区域需要重新勘测:

华盛顿街隧道

与多层停车场一样,隧道阻挡了全球导航卫星系统信号的进入。这就意味着,传统的隧道勘测虽然精确,但只是相对而言,而且勘测点的全球坐标位置与实际情况会有很大出入,但几乎没有办法验证这一点。然而,通过RT3000 v4 和OxTS LIO 的组合,轨迹可以保持在更高精度的轨道上,不仅提高了隧道点云图像的清晰度,还改善了其地理坐标。

 

(红色带OxTS LIO,白色不带。模拟(实时)处理)

测试数据

旧金山和其他类似城市的宽阔街道会给导航带来其他挑战。由于缺乏可供激光雷达光束反射的特征,激光雷达测距算法有时很难在这些环境中提供准确的更新。

为了了解RT3000 v4 和OxTS LIO 的性能,我们手动关闭了 60 秒间隔的 GNSS 更新,并在OxTS LIO 打开和未打开的情况下测量了位置漂移。

全球导航卫星系统在 60 秒内的漂移结果如下:

 

测量漂移(v4 + LIO)漂移(仅限 v4)
位置三维0.263 m0.56 m
位置 2D0.26 m0.538 m
标题0.099°0.132°
Velocity 3D0.018 米/秒0.039 米/秒
海拔高度0.066 m0.234 m
百分比误差0.05%0.108%

 

在全球导航卫星系统缺失的情况下,车辆行驶了 500 米。在此期间,RT3000 v4 表现出色,仅漂移了行驶距离的 0.1%。如果将OxTS LIO 计算在内,相同距离上的位置漂移将进一步减少到仅 26 厘米,相当于无 GNSS 时总行程的 0.05%。

使用OxTS LIO,高度漂移也从 23 厘米减少到仅 7 厘米。

测试中使用的 LIO 设置大多是默认设置,并没有经过完美优化,因此我们可以期待更好的结果。这表明,即使在非常恶劣的条件下,GNSS 会完全中断一分钟,OxTS 导航技术也能保持跟踪,几乎可以在任何地方进行高精度导航和测绘。

 

 

点云示例...

结论

RT3000 v4 和OxTS' LIO 算法的精确性克服了旧金山在精确导航方面的无数挑战。

在测试过程中,我们看到,通过结合使用OxTS的最新硬件和软件开发成果,在全球导航卫星系统中断 60 秒的情况下,位置漂移受到了极大限制。

如前所述,通过更严格的优化以及与其他OxTS 技术功能(如gx/ix 紧耦合技术和通用辅助数据 (GAD) 接口)的可能结合,可以进一步提高性能。

我们正在努力让客户真正实现随处导航。

 

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