SLAM技术概述

第一节中我们知道，要解决机器人自主导航问题就需要有感知（建图和定位）参与，通过感知输出机器人当前环境的地图信息和位置。而本节要讲的SLAM就是解决地图和定位问题的。

1. SLAM是什么

SLAM是同步定位与地图构建(Simultaneous Localization And Mapping)的缩写。

先通过一个视频直观了解一下

视频中随着机器人的移动，机器人的传感器获取到了环境信息，然后完成对博物馆地图的构建。

有小伙伴可能会问，只看到建图没看到定位呀。细心观察可以发现建图的过程中，其实一直都在计算机器人的位置。

2. SLAM如何解决建图定位问题

机器人通过自身传感器数据处理进行位置估计，同时通过不断移动完成对整个未知环境的地图构建。这就是SLAM解决的问题。

那又是如何解决的呢？SLAM实现的方案很多，但是几个比较关键的技术如下：

传感器感知通过各类传感器实现对环境的感知，比如通过激光雷达获取环境的深度信息。同时可以通过传感器融合来提高位置估计的精度，比如融合轮式里程计、IMU、雷达、深度相机数据等。
视觉/激光里程计基本原理是通过前后数据之间对比得出机器人位置的变化。
回环检测判断机器人是否到达之前到过的位置，可以解决位置估计误差问题，建图时可以纠正地图误差。

经典视觉SLAM结构

视觉SLAM主要是以视觉为传感器，解决定位与建图的问题，其主要可以分为前端、后端、回环检测和建图等四个部分，其中各个部分的作用分别为：

（1）前端：前端也称为视觉里程计，其作用是接受传感器(相机)的数据，通过计算得到两帧图像之间传感器(相机)的位姿变化，并将此变化传递给后端进行优化。
（2）后端：后端的作用是接受前端传过来的位姿数据，从一系列带噪声的位姿数据中估计最优的轨迹与地图。
（3）回环检测：由于后端的估计总避免不了误差，经过较长一段的时间还是会有漂移，为了保证相机在经过同一点的时候，预测的轨迹点与之前是重合的，所以需要通过回环检测检测图像的相似性，将相同的位姿点约束到同一点，减少漂移的误差。
（4）建图：建图部分是为了构建周围环境的地图，表达“我周围的环境如何”。

经过上述的四个部分，机器人就能在一个陌生的环境中知道“我在哪”以及“我周围的环境如何”，这样机器人就能完成一些高层次的任务，如导航、规划等。

3.SLAM算法分类

从算法的对数据的处理方式上看，目前常用的SLAM开源算法可以分为两类

1.基于滤波，比如扩展卡尔曼滤波（EKF: Extended Kalman Filter）、粒子滤波(PF: Particle Filter)等。

ROS中的gmapping、hector_slam算法都是基于滤波实现的。

2.基于图优化，先通过传感器进行构图，然后对图进行优化。

目前比较主流的是图优化的方法，Cartographer就是基于图优化实现的。图优化相对于滤波，不用实时的进行计算，效率更高，消耗的资源更少，所以在实际场景中使用的更多。

4.SLAM开源库

4.1. Cartographer

github地址：https://github.com/cartographer-project/cartographer

Cartographer是一个可跨多个平台和传感器配置以2D和3D形式提供实时同时定位和建图（SLAM）的系统。

4.2. ORB_SLAM2(纯视觉)

github地址：https://github.com/raulmur/ORB_SLAM2

ORB-SLAM2适用于单目，双目和RGB-D相机的实时SLAM库，用于计算相机轨迹和稀疏3D重建

4.3 VINS

github地址：https://github.com/HKUST-Aerial-Robotics/VINS-Mono

VINS-Mono是单目视觉惯性系统的实时SLAM框架。它使用基于优化的滑动窗口配方来提供高精度的视觉惯性测距。

5.总结

本节课我们简单介绍了下感知部分的技术担当SLAM，并对常用的开源库进行介绍，下一节我们就对其中的Cartograpger开源库进行介绍和安装。

参考文章：

https://blog.csdn.net/heyijia0327/article/details/47686523

SLAM前世今生

datetime:2023/10/09 11:03

author:nzb