LiDAR和UWB在隧道類環(huán)境下的定位能力

雖然目前針對GPS-denied環(huán)境下的定位方法很多，但實現(xiàn)穩(wěn)健的幾何退化環(huán)境下的定位，如隧道，仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。將IMU、LiDAR和UWB相結(jié)合的傳感器融合方法。實驗結(jié)果表明，該方法可以實現(xiàn)長直隧道的魯棒定位。

將UWB和IMU-LiDAR系統(tǒng)結(jié)合起來進(jìn)行精 確定位。

1. LIDAR定位能力

LIDAR通過長直隧道時，因為各處的測量值都相同故無法確定其位置。如圖1，通過類比管道內(nèi)滑塊來解釋退化?；瑝K是通過連接激光雷達(dá)掃描的端點獲得的。

2. UWB定位能力

UWB測量固定的錨點和移動的目標(biāo)之間的距離。

3.LIDAR和UWB的概率融合

融合基于Error State Kalman Filter (ESKF)，與EKF類似，只是在誤差狀態(tài)下對系統(tǒng)運動學(xué)建模，對系統(tǒng)線性化有益。其中，積分IMU以預(yù)測機(jī)器人狀態(tài)，LiDAR匹配先驗地圖以恢復(fù)6D位姿之后進(jìn)行更新預(yù)測，UWB測量3D位置之后也對位置更新。LiDAR和UWB的更新率取決于數(shù)據(jù)頻率。

 隧道內(nèi)定位能力

在隧道沿線20個均勻采樣點對LiDAR定位能力評估。X軸定義為沿隧道方向，Z軸定義為重力方向。在15m范圍內(nèi)均勻采樣4000個點（大致為旋轉(zhuǎn)180°激光點數(shù)量）以模擬每個地方的測量。由于距離遠(yuǎn)的點有近90度的反射角，使其有效范圍減小，導(dǎo)致測量不可靠。在每一點通過擬合附近20點估計平面。利用式2-6可以估計其定位能力。如圖6可以看出，X軸方向更差一些，因為是沿隧道方向退化嚴(yán)重。由于隧道有一個弧頂和幾乎相同的高度和寬度，雷達(dá)測量的roll角不能很好約束，但好在融合IMU后約束較好。

如圖7，特征空間的X軸與體坐標(biāo)系平行，因為其是退化方向。Y、Z方向沒有顯著差異。

關(guān)于UWB，將力矩陣投影到特征空間評估定位能力。相較于LiDAR，UWB在X軸方向定位較好，這為融合它們提供了好的約束。然而其在錨點附近X方向定位能力下降，這是奇異點?？梢栽黾渝^點數(shù)量解決。