龐 帆,何玉龍,張 達(dá),陳 凱,余樂文,李翰臣,張 馳

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司, 北京 100160;2.中國-南非礦產(chǎn)資源開發(fā)利用聯(lián)合研究中心, 北京 102628;3.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦,山東 萊州 261442)

近年來，隨著地下礦山智能化、信息化發(fā)展，基于井巷結(jié)構(gòu)三維高精度測(cè)繪、采空區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)精細(xì)化評(píng)估、地下礦山無人駕駛及井下無人機(jī)應(yīng)急救援等需求，基于激光雷達(dá)的同步定位與地圖構(gòu)建(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)作為核心技術(shù)起到至關(guān)重要的作用，它能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)載體在無GNSS定位信號(hào)下的自我運(yùn)動(dòng)估計(jì)即定位，包括空間位置和空間姿態(tài)，同時(shí)增量式地構(gòu)建周圍環(huán)境的三維激光點(diǎn)云地圖[1]。激光SLAM技術(shù)構(gòu)建的高精度三維激光點(diǎn)云地圖能夠在采礦生產(chǎn)過程中優(yōu)化回采設(shè)計(jì)、提高生產(chǎn)效率和保障安全生產(chǎn)作業(yè)。但激光SLAM技術(shù)由于內(nèi)部激光點(diǎn)云連續(xù)匹配算法的誤差，會(huì)導(dǎo)致最終構(gòu)建的激光點(diǎn)云地圖存在一定偏差，因此，必須對(duì)激光SLAM技術(shù)進(jìn)行定量的精度評(píng)定。

目前國內(nèi)外相關(guān)研究人員針對(duì)激光SLAM定量精度評(píng)定問題提出了相應(yīng)的解決方案。ZHANG 等[2]在評(píng)測(cè)激光SLAM精度時(shí)利用GNSS定位結(jié)果作為激光SLAM定位結(jié)果的真實(shí)值，將激光SLAM估計(jì)的定位結(jié)果視為估計(jì)值，利用二者差異計(jì)算激光SLAM的定位誤差，用相對(duì)位置誤差率表述每百米的位置偏差量，評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)集為KITTI數(shù)據(jù)集[3]。YE 等[4]在無GNSS定位信號(hào)的室內(nèi)環(huán)境中評(píng)測(cè)激光SLAM精度時(shí)首先在被測(cè)環(huán)境中搭建動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，同時(shí)在激光雷達(dá)傳感器上方安置反射標(biāo)靶球，利用動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)識(shí)別反射標(biāo)靶球?qū)崟r(shí)獲取激光SLAM的定位結(jié)果，將該定位結(jié)果視為真實(shí)值，將激光SLAM輸出的定位結(jié)果視為估計(jì)值，利用二者差異，計(jì)算平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差。SHAN 等[5]利用搭載激光SLAM技術(shù)的移動(dòng)載體運(yùn)行一段時(shí)間后返回起始位置，實(shí)際操作中將移動(dòng)載體的起始位置與結(jié)束位置嚴(yán)格重合，將起始位置處的位姿視為[0，0，0，0，0，0]，在激光SLAM輸出的位姿序列中查看結(jié)束位置處的位姿，與起始位置處的位姿進(jìn)行比較，計(jì)算累計(jì)平移誤差和累計(jì)旋轉(zhuǎn)誤差。利用GNSS定位結(jié)果作為激光SLAM定位結(jié)果的真實(shí)值評(píng)價(jià)激光SLAM定位誤差的方案還有很多[6-13]，這些做法是目前主流評(píng)價(jià)激光SLAM精度的方法，更多從激光SLAM技術(shù)的定位角度評(píng)測(cè)精度，沒有從激光點(diǎn)云地圖角度評(píng)測(cè)激光SLAM精度。

雖然激光SLAM過程中定位和建圖相輔相成，互相促進(jìn)，定位越準(zhǔn)確，建圖精度越高，但在地下礦山領(lǐng)域多數(shù)用戶更加關(guān)心最終構(gòu)建激光點(diǎn)云地圖的精度及質(zhì)量。俞德崎等[14]在評(píng)測(cè)激光SLAM建圖精度時(shí)借助鋼尺量取自然特征尺寸，視為尺寸真實(shí)值，在激光SLAM構(gòu)建的激光點(diǎn)云地圖中提取自然特征尺寸，視為尺寸估計(jì)值，利用二者差異計(jì)算尺寸誤差，自然特征例如配電箱、消防栓等，由于量取自然特征的尺寸過小，無法說明激光點(diǎn)云地圖的整體一致性和準(zhǔn)確性，另外在地下礦山現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中不能保證存在自然特征。檀繼猛等[15]利用全站儀和移動(dòng)式三維激光掃描儀對(duì)標(biāo)靶球進(jìn)行測(cè)量，分別擬合出標(biāo)靶球中心的真實(shí)坐標(biāo)和估計(jì)坐標(biāo)，計(jì)算點(diǎn)位誤差，該方法需要借助標(biāo)靶球工具，在地下礦山現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不易布設(shè)，計(jì)算標(biāo)靶球中心坐標(biāo)存在較大的擬合誤差。

由于地下礦山環(huán)境無GNSS定位信號(hào)，因此無法利用GNSS作為定位真值信息評(píng)價(jià)激光SLAM技術(shù)精度；動(dòng)作捕捉系統(tǒng)在工作時(shí)需要良好的光線條件，地下礦山環(huán)境光線條件不佳，無法利用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取反射標(biāo)靶的位姿，從而不能獲取定位真值信息進(jìn)行精度評(píng)定；另外在地下礦山環(huán)境中地面凹凸不平，泥濘含水，搭載激光SLAM技術(shù)的移動(dòng)載體運(yùn)行一段時(shí)間后嚴(yán)格返回至起始位置處，該過程操作難度較大，操作不當(dāng)會(huì)影響精度評(píng)測(cè)效果。

綜上所述，為定量評(píng)價(jià)激光SLAM技術(shù)精度，本文從激光SLAM的定位和建圖兩個(gè)方面進(jìn)行誤差分析，提出切實(shí)可行的精度驗(yàn)證方案，并結(jié)合自研井下無人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，完成地下礦山激光SLAM技術(shù)的定量精度評(píng)測(cè)。

1 精度評(píng)價(jià)方法

由于激光SLAM過程定位精度越高，建圖越準(zhǔn)確，因此第一個(gè)方案?jìng)?cè)重評(píng)價(jià)激光SLAM定位精度，將激光SLAM起始和結(jié)束時(shí)刻的定位結(jié)果與高精度全站儀觀測(cè)的首尾定位結(jié)果進(jìn)行比較；第二個(gè)和第三個(gè)方案?jìng)?cè)重評(píng)價(jià)激光點(diǎn)云地圖精度，將激光SLAM輸出的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高精度全站儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

1.1 端到端定位誤差評(píng)價(jià)方法

該精度評(píng)價(jià)方法的基本原理是利用搭載激光SLAM技術(shù)的移動(dòng)載體運(yùn)行一段時(shí)間后返回至起始位置處附近，不必嚴(yán)格返回至起始位置處，僅需在激光雷達(dá)上方粘貼反射標(biāo)靶，在起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻分別利用高精度全站儀觀測(cè)反射標(biāo)靶的空間坐標(biāo)，保證兩個(gè)空間坐標(biāo)處于同一坐標(biāo)系下，計(jì)算起始和結(jié)束時(shí)刻的位置差，將該位置差視為位置變化量的真實(shí)值。

由于激光SLAM估計(jì)的位姿序列均以起始時(shí)刻激光雷達(dá)坐標(biāo)系為原點(diǎn)，因此，在激光SLAM定位數(shù)據(jù)中尋找起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻的位姿，計(jì)算起始和結(jié)束時(shí)刻的位置差，將該位置差視為位置變化量的估計(jì)值。將位置變化量的真實(shí)值和估計(jì)值差異視為端到端定位累計(jì)漂移量ΔT，見公式(1)，該過程的示意圖如圖1所示，結(jié)合激光SLAM過程的定位軌跡長度L，計(jì)算端到端定位累計(jì)漂移率PT，見公式(2)。

圖1 端到端定位誤差示意圖Fig.1 Schematic diagram of end-to-end positioning error

(1)

(2)

式中:XT、YT、ZT表示起始和結(jié)束時(shí)刻位置變化量的真實(shí)值，由全站儀觀測(cè)首尾坐標(biāo)計(jì)算；XS、YS、ZS表示起始和結(jié)束時(shí)刻位置變化量的估計(jì)值，由激光SLAM估計(jì)首尾位姿坐標(biāo)計(jì)算。

1.2 相對(duì)距離誤差評(píng)價(jià)方法

該精度評(píng)價(jià)方法的基本原理是在激光SLAM技術(shù)構(gòu)建的激光點(diǎn)云地圖中提取標(biāo)靶點(diǎn)空間坐標(biāo)，標(biāo)靶點(diǎn)事先在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻布置，根據(jù)提取標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算相鄰兩標(biāo)靶點(diǎn)間的歐式距離，視該距離為距離估計(jì)值De，然后利用高精度全站儀觀測(cè)各個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)，根據(jù)觀測(cè)標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算相應(yīng)兩標(biāo)靶點(diǎn)間的歐式距離，視該距離為距離真實(shí)值Dt，計(jì)算距離真實(shí)值與估計(jì)值的誤差，得到相對(duì)距離誤差ΔD，見公式(3)，結(jié)合距離真實(shí)值Dt得到相對(duì)距離偏差率PD，見公式(4)，將n對(duì)相對(duì)距離誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到相對(duì)距離誤差的均方根RMSE(ΔD(1:n))，見公式(5)，將n對(duì)相對(duì)距離誤差偏差率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到相對(duì)距離誤差偏差率的均方根RMSE(PD(i:n))，見公式(6)。

ΔD(i)=Dt(i)-De(i)

(3)

(4)

(5)

(6)

在該評(píng)價(jià)方法中全站儀觀測(cè)不必借助礦山控制點(diǎn)，只需保證各個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)在同一坐標(biāo)系下即可。該精度評(píng)價(jià)方式無需將激光點(diǎn)云地圖轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系，側(cè)重評(píng)價(jià)激光點(diǎn)云地圖的相對(duì)精度。

1.3 絕對(duì)點(diǎn)位誤差評(píng)價(jià)方法

該精度評(píng)價(jià)方法的基本原理是在激光SLAM技術(shù)構(gòu)建的激光點(diǎn)云地圖中提取標(biāo)靶點(diǎn)空間坐標(biāo)，標(biāo)靶點(diǎn)事先在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻布置，然后利用高精度全站儀觀測(cè)各個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)。由于激光點(diǎn)云地圖中提取的標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)與全站儀坐標(biāo)系下觀測(cè)的標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)不在同一個(gè)坐標(biāo)系，需要利用3～4對(duì)同名標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換，將激光點(diǎn)云地圖提取的標(biāo)靶點(diǎn)轉(zhuǎn)換到全站儀坐標(biāo)系中，坐標(biāo)變換原理是利用同名標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行迭代最鄰近點(diǎn)匹配[16](Iterative Closest Point，ICP)，坐標(biāo)變換可利用點(diǎn)云處理軟件實(shí)現(xiàn)，例如Cloud Compare或3D Reshaper。將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)視為坐標(biāo)估計(jì)值，將全站儀坐標(biāo)系下的標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)視為坐標(biāo)真實(shí)值，計(jì)算估計(jì)值與真實(shí)值的誤差，得到絕對(duì)點(diǎn)位誤差，見公式(7)。

(7)

(8)

在該評(píng)價(jià)方法中全站儀觀測(cè)不必借助礦山控制點(diǎn)，只需保證各個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)在同一坐標(biāo)系下即可。該精度評(píng)價(jià)方式需要將激光點(diǎn)云地圖轉(zhuǎn)換到全站儀坐標(biāo)系下，側(cè)重評(píng)價(jià)激光點(diǎn)云地圖的絕對(duì)精度。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 激光SLAM測(cè)量平臺(tái)

井下無人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)是礦冶科技集團(tuán)有限公司自研的一款飛行式三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)(見圖2)，該系統(tǒng)采用3D激光SLAM技術(shù)，可在無GNSS定位信號(hào)環(huán)境下實(shí)時(shí)獲取被測(cè)目標(biāo)的精細(xì)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要由無人機(jī)平臺(tái)、移動(dòng)掃描主機(jī)、平板電腦構(gòu)成，平板端通過控制及可視化軟件遠(yuǎn)程操控井下無人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)。

圖2 井下無人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)Fig.2 3D Laser scanning measurement system of underground UAV

2.2 測(cè)試場(chǎng)景

第一個(gè)測(cè)試場(chǎng)景為云南省昭通市彝良毛坪鉛鋅礦河?xùn)|片區(qū)某中段的巷道，長度約為150 m，寬度約為3.8 m，高度約為3.9 m，如圖3(a)所示。第二個(gè)測(cè)試場(chǎng)景為山東省萊州市三山島金礦西山礦區(qū)某中段的采空區(qū)，長度約為62 m，寬度約為4.4 m，高度約為4.6 m，如圖3(b)所示。第三個(gè)測(cè)試場(chǎng)景為北京市某模擬巷道，長度約為67 m，寬度約為4.9 m，高度約為4.5 m，如圖3(c)所示。

圖3 典型礦山測(cè)試環(huán)境Fig.3 Typical mine test environment

2.3 數(shù)據(jù)采集流程

井下無人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程，具體流程如下：

首先將移動(dòng)掃描主機(jī)通過快速釋放裝置連接到無人機(jī)平臺(tái)，連通無人機(jī)和移動(dòng)掃描主機(jī)間電源，打開移動(dòng)掃描主機(jī)電源；然后通過平板電腦遠(yuǎn)程無線連接并啟動(dòng)移動(dòng)掃描主機(jī)，遙控?zé)o人機(jī)起飛，邊飛行邊對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行掃描；接下來遙控?zé)o人機(jī)器使無人機(jī)返回到起始位置處附近；最后通過平板電腦遠(yuǎn)程關(guān)閉移動(dòng)掃描主機(jī)，掃描結(jié)束。

高精度全站儀數(shù)據(jù)采集時(shí)事先在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻布置標(biāo)靶點(diǎn)，標(biāo)靶點(diǎn)采取黑白棋盤格中心點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)金屬標(biāo)志牌角點(diǎn)及自制標(biāo)靶物角點(diǎn)相結(jié)合，如圖4所示，然后利用準(zhǔn)確度等級(jí)1級(jí)的全站儀觀測(cè)各個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)。

圖4 標(biāo)靶點(diǎn)Fig.4 Target point

3 精度評(píng)價(jià)

3.1 端到端定位誤差

3.1.1 測(cè)試場(chǎng)景一

井下無人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)獲取的激光SLAM定位數(shù)據(jù)如表1所示，每行包括3個(gè)數(shù)據(jù)，分別為時(shí)間戳、空間位置和空間姿態(tài)，系統(tǒng)輸出的定位結(jié)果默認(rèn)以起始時(shí)刻激光雷達(dá)位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，空間姿態(tài)用四元數(shù)表達(dá)。

表1 激光SLAM定位數(shù)據(jù)

將激光SLAM定位數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入SLAM評(píng)測(cè)工具EVO[17]中，利用EVO定位軌跡分析功能獲取起始位置坐標(biāo)、結(jié)束位置坐標(biāo)、定位軌跡長度、起始位置時(shí)間、結(jié)束位置時(shí)間、累計(jì)掃描時(shí)間等，如表2所示。

表2 激光SLAM定位數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表2中起始、結(jié)束位置坐標(biāo)及全站儀觀測(cè)首尾坐標(biāo)差，計(jì)算端到端定位累計(jì)漂移量ΔT為0.329 m，結(jié)合定位軌跡長度L，計(jì)算端到端定位累計(jì)漂移率PT為0.11%。

3.1.2 測(cè)試場(chǎng)景二

與3.1.1處理流程一致，測(cè)試場(chǎng)景二的激光SLAM定位數(shù)據(jù)分析如表3所示。

表3 激光SLAM定位數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表3中起始、結(jié)束位置坐標(biāo)及全站儀觀測(cè)首尾坐標(biāo)差，計(jì)算端到端定位累計(jì)漂移量ΔT為0.127 m，結(jié)合定位軌跡長度L，計(jì)算端到端定位累計(jì)漂移率PT為0.12%。

3.1.3 測(cè)試場(chǎng)景三

與3.1.1處理流程一致，測(cè)試場(chǎng)景三的激光SLAM定位數(shù)據(jù)分析如表4所示：

表4 激光SLAM定位數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表4中起始、結(jié)束位置坐標(biāo)及全站儀觀測(cè)首尾坐標(biāo)差，計(jì)算端到端定位累計(jì)漂移量ΔT為0.134 m，結(jié)合定位軌跡長度L，計(jì)算端到端定位累計(jì)漂移率PT為0.12%。

3.2 相對(duì)距離誤差

3.2.1 測(cè)試場(chǎng)景一

井下無人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建的巷道激光點(diǎn)云地圖如圖5所示，局部激光點(diǎn)云地圖如圖6所示。

圖5 巷道整體激光點(diǎn)云地圖Fig.5 Overall laser point cloud map of tunnel

圖6 巷道局部激光點(diǎn)云地圖Fig.6 Local laser point cloud map of tunnel

在測(cè)試場(chǎng)景一中均勻布置5個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)，利用高精度全站儀觀測(cè)5個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)，視為真實(shí)坐標(biāo)，在激光點(diǎn)云地圖中提取相應(yīng)標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)，視為估計(jì)坐標(biāo)，真實(shí)坐標(biāo)與估計(jì)坐標(biāo)不在同一坐標(biāo)系下，如表5所示。

表5 標(biāo)靶點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)與估計(jì)坐標(biāo)

根據(jù)表5計(jì)算相鄰標(biāo)靶點(diǎn)間歐式距離的真實(shí)值和估計(jì)值，計(jì)算相對(duì)距離誤差和相對(duì)距離偏差率，誤差分析結(jié)果如表6所示。

表6 相對(duì)距離誤差分析

由表6可知，基于本次測(cè)試場(chǎng)景，激光SLAM相對(duì)距離誤差為6.6 cm，相對(duì)距離誤差偏差率為0.355%。

3.2.2 測(cè)試場(chǎng)景二

井下無人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建的采空區(qū)整體激光點(diǎn)云地圖如圖7所示。

圖7 采空區(qū)整體激光點(diǎn)云地圖Fig.7 Overall laser point cloud map of goaf

在測(cè)試場(chǎng)景二中均勻布置8個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)，利用高精度全站儀觀測(cè)8個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)，視為真實(shí)坐標(biāo)，在激光點(diǎn)云地圖中提取相應(yīng)的標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)，視為估計(jì)坐標(biāo)，如表7所示。

表7 標(biāo)靶點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)與估計(jì)坐標(biāo)

根據(jù)表7計(jì)算相鄰標(biāo)靶點(diǎn)間歐式距離的真實(shí)值和估計(jì)值，計(jì)算相對(duì)距離誤差和相對(duì)距離偏差率，誤差分析結(jié)果如表8所示。

由表8可知，基于本次測(cè)試場(chǎng)景，激光SLAM相對(duì)距離誤差為4.2 cm，相對(duì)距離誤差偏差率為0.403%。

表8 相對(duì)距離誤差分析

3.2.3 測(cè)試場(chǎng)景三

井下無人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建的模擬巷道整體激光點(diǎn)云地圖如圖8所示。

圖8 模擬巷道整體激光點(diǎn)云地圖Fig.8 Laser point cloud map of simulated tunnel

在測(cè)試場(chǎng)景三中均勻布置7個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)，利用高精度全站儀觀測(cè)7個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)，視為真實(shí)值，在激光點(diǎn)云地圖中提取相應(yīng)的標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)，視為估計(jì)值，如表9所示。

表9 標(biāo)靶點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)與估計(jì)坐標(biāo)

根據(jù)表9計(jì)算相鄰標(biāo)靶點(diǎn)間歐式距離的真實(shí)值和估計(jì)值，計(jì)算相對(duì)距離誤差和相對(duì)距離偏差率，誤差分析結(jié)果如表10所示。

由表10可知，基于本次測(cè)試場(chǎng)景，激光SLAM相對(duì)距離誤差為6.9 cm，相對(duì)距離誤差偏差率為0.562%。

表10 相對(duì)距離誤差分析

3.3 絕對(duì)點(diǎn)位誤差

3.3.1 測(cè)試場(chǎng)景一

根據(jù)1.3評(píng)價(jià)方法，從場(chǎng)景一激光點(diǎn)云地圖中提取#2、#3、#4標(biāo)靶點(diǎn)空間坐標(biāo)，根據(jù)表5對(duì)應(yīng)的標(biāo)靶點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)，將激光點(diǎn)云地圖轉(zhuǎn)換到全站儀坐標(biāo)系下，將坐標(biāo)變換后的標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)視為估計(jì)值，結(jié)合標(biāo)靶點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)，計(jì)算每個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)的絕對(duì)點(diǎn)位誤差，誤差分析結(jié)果如表11所示。

表11 絕對(duì)點(diǎn)位誤差分析

由表11可知，基于本次測(cè)試場(chǎng)景，激光SLAM的絕對(duì)點(diǎn)位誤差為6.7 cm。

3.3.2 測(cè)試場(chǎng)景二

從場(chǎng)景二激光點(diǎn)云地圖中提取#1、#3、#6、#8標(biāo)靶點(diǎn)空間坐標(biāo)，根據(jù)表7對(duì)應(yīng)的標(biāo)靶點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)，將激光點(diǎn)云地圖轉(zhuǎn)換到全站儀坐標(biāo)系下，將坐標(biāo)變換后的標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)視為估計(jì)值，結(jié)合標(biāo)靶點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)，計(jì)算每個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)的絕對(duì)點(diǎn)位誤差，誤差分析結(jié)果如表12所示。

表12 絕對(duì)點(diǎn)位誤差分析

由表12可知，基于本次測(cè)試場(chǎng)景，激光SLAM的絕對(duì)點(diǎn)位誤差為6.9 cm。

3.3.3 測(cè)試場(chǎng)景三

從場(chǎng)景三激光點(diǎn)云地圖中提取#1、#3、#4、#7標(biāo)靶點(diǎn)空間坐標(biāo)，根據(jù)表9對(duì)應(yīng)的標(biāo)靶點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)，將激光點(diǎn)云地圖轉(zhuǎn)換到全站儀坐標(biāo)系下，將坐標(biāo)變換后的標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)視為估計(jì)值，結(jié)合標(biāo)靶點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)，計(jì)算每個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)的絕對(duì)點(diǎn)位誤差，誤差分析結(jié)果如表13所示。

表13 絕對(duì)點(diǎn)位誤差分析

由表13可知，基于本次測(cè)試場(chǎng)景，激光SLAM的絕對(duì)點(diǎn)位誤差為7.2 cm。

3.4 誤差分析

不同測(cè)試場(chǎng)景由于現(xiàn)場(chǎng)周圍環(huán)境不同導(dǎo)致激光SLAM內(nèi)部激光點(diǎn)云連續(xù)匹配誤差不同，因此最終建立的激光點(diǎn)云地圖會(huì)存在不同程度的偏差，周圍環(huán)境例如粉塵、水面、動(dòng)態(tài)物體及玻璃等均會(huì)影響激光SLAM精度?；?.2節(jié)測(cè)試的點(diǎn)云地圖相對(duì)精度和3.3節(jié)測(cè)試的點(diǎn)云地圖絕對(duì)精度，自研激光SLAM測(cè)量平臺(tái)具有厘米級(jí)的建圖精度。

4 結(jié)論

1)針對(duì)地下礦山環(huán)境無GNSS定位信號(hào)、無法利用常規(guī)手段評(píng)測(cè)激光SLAM技術(shù)精度的問題，提出三種激光SLAM定量精度驗(yàn)證方案，將端到端定位誤差、相對(duì)距離誤差、絕對(duì)點(diǎn)位誤差作為精度評(píng)測(cè)指標(biāo)，并結(jié)合自研激光SLAM測(cè)量平臺(tái)對(duì)典型實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)測(cè)，驗(yàn)證精度評(píng)測(cè)方案的可行性。

2)自研井下無人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)具有厘米級(jí)的建圖精度。