具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明，极地冰层地图的构建系统包括多个激光SLAM模块、多个视觉SLAM模块、一中央处理器以及语义模块。如图1中所示，激光SLAM模块优选布置于船楼上，以争取视较好的视角；而视觉SLAM模块围绕船殼进行周向均布，以尽可能地接近浮冰位置，确保所采集到的浮冰图像具有较好的清晰度。激光SLAM模块包括有第一计算单元、激光雷达、第一环境地图信息采集单元、第一定位单元以及第一数据传输单元。在某一时刻t，第一环境地图信息采集单元协同激光雷达以实时采集当前空间地理位置的冰层环境地图，与此同时，第一定位单元用来实时地捕捉当前空间地理位置坐标信息。第一环境地图信息采集单元、第一定位单元均经由第一数据传输单元将数据传递至第一计算单元。视觉SLAM模块包括有第二计算单元、视觉传感器、第二环境地图信息采集单元、第二定位单元以及第二数据传输单元。在时刻t，第二环境地图信息采集单元协同视觉传感器以实时采集当前空间地理位置的冰层环境地图，与此同时，第二定位单元用来实时地捕捉当前空间地理位置坐标信息(如图2中所示)。第二环境地图信息采集单元、第二定位单元均经由第二数据传输单元将数据传递至第二计算单元。中央处理器优选为台式计算机或笔记本式计算机，其用来接收到、处理数据，且与第一计算单元和第二计算单元均进行电连接。协同语义模块，中央处理器根据语义指令对位于船舶四周的冰层进行分类，以生成全局冰层代价地图(如图3中所示)。

出于确保所捕捉到的当前空间地理位置坐标信息具有较高的精度，利于后期进行地图融合方面考虑，第一定位单元和第二定位单元均优选由GNSS定位单元和GPS定位单元构成。

光纤的基本成分为石英，只传光，而不导电，不受电磁场作用，且在传输光信号进程中亦不会受到电磁场的影响。另外，光纤传输的损耗率极低，且损耗几乎不随环境温度而变，适用于极地低温环境，利于避免干线电平现象的发生。鉴于此，上述的第一数据传输单元和第二数据传输单元均宜优选为光纤传输单元。

中央处理器包括有信息修正模块，其实时地收集来自于激光SLAM模块以及视觉SLAM模块的传感器数据，并利用GNSS定位单元和GPS定位单元进行回环检测，同时，中央处理器还采用最小二乘拟合的方式对不同的SLAM模块之间(包括激光SLAM模块和激光SLAM模块之间、激光SLAM模块和视觉模块SLAM之间以及视觉模块SLAM和视觉模块SLAM之间)的位置进行修正。

由图2中所示还可知，极地冰层地图的构建系统还配套有后端优化模块。后端优化模块配套于中央处理器。对具有相同空间地理位置坐标信息的经由第一环境地图信息而采集到的当前空间地理位置的冰层环境地图以及经由第二环境地图信息而采集到的当前空间地理位置的冰层环境地图进行回环数据矫正。

通过采用上述技术方案进行设置，极地冰层地图构建系统在实际应用中至少取得了以下几方面的有益效果，具体如下：

1)完美地解决了激光SLAM无法感知语义信息和视觉SLAM精度较差、较为依赖光照环境的问题，实时地生成具有语义信息的、高精度、且附带语义信息的全局环境地图，利于驾驶员在航行过程中需要根据船舶周围冰情及时地调整舵角，降低驾驶员的操控难度；

2)可形成了全局的、高精度的、实时的语义地图，且后续可根据语义地图的相关信息对激光SLAM地图中的障碍物进行标注，最后，根据不同类型的障碍物的破冰损耗不同，生成实时的、具有语义信息的全局代价地图，从而为船舶在极地执行航行任务时保持于相对较小破冰损耗量作了良好的铺垫；

3)将激光SLAM技术和视觉SLAM技术完美地融合于一体，且确保两者所采集到的冰层环境地图具有地理位置坐标以及时间对应关系，利于确保所生成的全局冰层代价地图与船舶周围的现实冰情完全吻合。

另外，本发明还公开了一种极地冰层地图的构建系统的工作方法，如图2、3中所示，其包括有以下步骤：

a)在某一时刻t，激光SLAM模块扑捉当前空间地理位置的坐标信息Ω1以及冰层环境地图β1；

b)在相同时刻t，视觉SLAM模块扑捉当前空间地理位置的坐标信息Ω2以及冰层环境地图β2。空间地理位置的坐标信息Ω1和空间地理位置的坐标信息Ω2完全相同，且冰层环境地图β1和冰层环境地图β2具有相同时间戳；

c)空间地理位置的坐标信息Ω1、冰层环境地图β1、空间地理位置的坐标信息Ω2、冰层环境地图β2数据统一被输送至中央处理器；

d)经由中央处理器对冰层环境地图β1和冰层环境地图β2进行融合，以生成实时全局环境地图；

e)辅以所述语义模块，对全局环境地图上存有的冰层进行障碍物分类；

f)根据不同类型的障碍物的破冰损耗不同，生成实时的、具有语义信息的全局代价地图。

中央处理器根据激光SLAM模块和视觉SLAM模块各自空间地理位置信息确定出所有相同时间戳的局部冰层环境地图之间的相对位置关系之前，需对接收到的冰层环境地图β1以及冰层环境地图β2的空间地理位置信息进行修正。

采取最小二乘拟合公式对冰层环境地图β1以及冰层环境地图β2的空间地理位置信息进行修正。

借由中央处理器将修正后的空间地理位置信息与激光SLAM模块和视觉SLAM模块所获取到的冰层障碍物语义信息相匹配。

为保证局部地图的一致性，所有激光SLAM模块和视觉SLAM模块需同步地采集相应空间地理位置的冰层环境地图。

设环境中的描述为si＝(xi,yi,zi,vi)，其中(xi,yi,zi)表示环境中第i个点相对于传感器原点的位置坐标，v表示该点的语义信息。设从第j个视觉SLAM模块传来的数据为Mk＝{si,s∈R4,i＝0·····n}，式中n表示视觉传感器每个周期采集的数据量，激光SLAM模块传来的数据为LM＝{si,s∈R4,i＝0·····N}，式中N表示激光传感器每个周期采集的数据量。

理想情况下，测得第j个视觉SLAM模块在世界坐标系下的位置为lj＝(xj,yj,zj,0)，则由m个视觉SLAM模块构成的位置矩阵为Lj＝{li,l∈R4,i＝0·····m}。

假设各视觉SLAM模块的水平方向均保持一致，且有一个极小的方向误差δθ，则根据位置矩阵计算可得到全局地图表示为

其中R表示δθ对应的拓展旋转矩阵，可以表示为

同理，激光SLAM模块得到的全局地图即为LM。

CM与各点语义信息v传入中央处理器后，形成具备语义信息的CM1。

通过CM1与LM的匹配，赋予LM各部分相应的语义信息，形成具备语义信息的实时全局环境地图LM1。

设LM1共分为k个不同的部分，根据语义，把LM1中的各部分进行分类，得到该部分的破冰损耗wi，则全局损耗向量W＝{wi，i＝0·····k}。

把W与LM1相匹配，即形成实时的、且具有语义信息的全局代价地图LM2。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。