文章：F-LOAM : Fast LiDAR Odometry and Mapping

作者：Han Wang, Chen Wang, Chun-Lin Chen, and Lihua Xie

github：https://github.com/wh200720041/floam

編譯：點云PCL

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摘要

同時定位與建圖（SLAM）在機器人領域有著廣泛的應用，如自動駕駛和無人駕駛等領域。一個好的SLAM系統(tǒng)其計算效率和定位精度是至關重要。現(xiàn)有的基于激光雷達的SLAM研究通常將問題描述為兩個模塊：點云幀到點云幀匹配和點云幀到地圖匹配。這兩個模塊都是通過迭代計算來解決的，計算量很大。

在本文提出了一個通用的解決方案，旨在為基于激光雷達的SLAM提供一個計算效率高、精度高的框架。具體來說，我們采用了一種非迭代的兩級失真補償方法來降低計算量。對于每個掃描輸入，提取邊緣和平面特征，分別匹配到局部邊緣圖和局部平面圖，并考慮局部平滑度進行迭代姿態(tài)優(yōu)化。通過深入的實驗評估了其在具有挑戰(zhàn)性的場景中的性能，包括倉庫自動導引車（AGV）的定位和自動駕駛的公共數(shù)據(jù)集。該方法在公共數(shù)據(jù)集評估中以10hz以上的處理率獲得了很好的定位精度，為實際應用提供了性能和計算成本之間的良好折衷。該方法目前是KITTI數(shù)據(jù)集排名中最準確、最快的開源SLAM系統(tǒng)之一。

圖1:在KITTI數(shù)據(jù)集上提出的方法的示例(a） 顯示序列05上的建圖的結果。（b）是通過整合攝像機視圖重建的三維道路景觀(c） 繪制從F-LOAM到地面的軌跡。

介紹

估計兩個點云幀之間變換的最經(jīng)典方法是迭代最近點（ICP），其中兩個點云幀通過最小化點云距離迭代對齊。然而，優(yōu)化過程中涉及大量的點，計算效率低下。另一種方法是匹配計算效率更高的特征。一個典型的例子是激光雷達里程計和建圖（LOAM），它主要思路是提取邊緣和平面特征，并通過最小化點到平面和點到邊緣的距離來計算姿態(tài)。然而，畸變補償和激光里程計都需要迭代計算，這仍然是昂貴的計算。

本文介紹了一種輕量型激光雷達SLAM，旨在為公眾提供一種實用的實時激光雷達SLAM解決方案。提出了一種結合特征提取、失真補償、姿態(tài)優(yōu)化和建圖的新框架。與傳統(tǒng)方法相比，本文采用了非迭代的兩級失真補償方法來代替計算效率低下的迭代失真補償方法。在連續(xù)掃描點云幀中，具有較高局部平滑度的邊緣特征和具有較低平滑度的平面特征通常是一致的。這些點對于匹配更為重要。為了提高定位精度，在迭代姿態(tài)估計中還考慮了局部幾何特征。它能夠在低功耗的嵌入式計算單元上實現(xiàn)高達20hz的實時性能。

為了證明該方法的魯棒性，對該方法進行了全面的評價，包括室內和室外實驗。與現(xiàn)有的最新方法相比，該方法能夠以較低的計算代價獲得具有競爭力的定位精度，這是性能和速度之間的一個很好的折衷。值得注意的是，所提出的方法是KITTI基準中最準確和最快的開源方法之一。

主要內容

A 傳感器模型與特征提取

機械式三維激光雷達通過旋轉一個尺寸為M的垂直排列的激光束陣列來感知周圍的環(huán)境。它用M個平行讀數(shù)掃描垂直面。在每個掃描間隔期間，激光陣列在水平面上以恒定速度旋轉，同時激光測量按順時針或逆時針順序進行。

原始點云匹配方法（如ICP）對噪聲和動態(tài)對象（如人類）非常敏感，可用于自動駕駛。此外，激光雷達掃描包含數(shù)以萬計的點，這使得ICP計算效率低下。與ICP等原始點云匹配方法相比，特征點匹配在實際應用中更具魯棒性和效率。為了提高匹配精度和匹配效率，這里利用點云數(shù)據(jù)的表面特征和邊緣特征，同時剔除了噪聲或不太顯著的點。如上所述，三維機械激光雷達返回的點云在垂直方向上是稀疏的，在水平方向上是稠密的。因此，水平方向的特征更加明顯，在水平方向上進行錯誤特征檢測的可能性較小。對于每一個點云，我們聚焦在水平面上，并通過計算局部曲面的平滑度。

B 運動估計與失真補償

在LOAM和LeGO LOAM等現(xiàn)有方案中，通過點云幀對點云幀匹配來校正失真，該匹配方法迭代地估計兩個連續(xù)激光掃描點之間的轉換。然而，要找到變換矩陣需要迭代計算，計算效率很低。在本篇論文中提出使用兩級失真補償來降低計算成本。請注意，大多數(shù)現(xiàn)有的三維激光雷達能夠以10赫茲以上的頻率運行，兩次連續(xù)激光雷達掃描之間的時間通常非常短。因此，我們可以先假設短時間內的角速度和線速度恒定，來預測運動并校正畸變。在第二階段，在姿態(tài)估計過程之后，將重新計算畸變，并且將重新計算的未畸變特征更新到最終的地圖。

C 姿態(tài)估計

全局特征點地圖由邊緣特征和平面特征組成，分別進行更新和維護。為了減少搜索的計算量，邊緣特征地圖和平面特征地圖都存儲在三維KD樹中。通過從邊緣和平面特征圖中收集附近的點來估計全局線和平面。對于每個邊緣特征點， 從全局邊緣特征圖中計算其附近點的協(xié)方差矩陣。當點分布在一條直線上時，協(xié)方差矩陣包含一個更大的特征值。將與最大特征值相關的特征向量視為直線方向，直線的位置視為附近點的幾何中心。類似地，對于每個平面特征點，這里可以得到一個具有位置和曲面范數(shù)的全局平面。注意，與全局邊不同，全局平面的范數(shù)作為與最小特征值相關的特征向量。

D?建圖與失真補償

全局地圖由邊緣特征地圖和平面特征地圖組成，并基于關鍵幀進行更新。當平移變化大于預定義的平移閾值或旋轉變化大于預定義的旋轉閾值時，將選擇作為關鍵幀。與逐幀更新相比，基于關鍵幀的地圖更新可以減少計算量。如上所述，為了降低計算成本，基于恒定速度模型而不是迭代運動估計來執(zhí)行失真補償。

實驗

A? 實驗設備

為了驗證該算法，我們在大尺度室外環(huán)境和中等尺度室內環(huán)境下對F-LOAM進行了評估。對于大規(guī)模實驗，我們在KITTI數(shù)據(jù)集上評估了我們的方法，KITTI數(shù)據(jù)集是SLAM評估中最流行的數(shù)據(jù)集之一。然后將該算法集成到倉儲物流中。首先在模擬倉庫環(huán)境下進行了驗證，然后在AGV平臺上進行了測試。

B 在公共數(shù)據(jù)集的評估

首先在廣泛用于戶外定位評估的KITTI數(shù)據(jù)集上測試了我們的方法。數(shù)據(jù)集是從一輛裝有Velodyne HDL-64激光雷達、相機和GPS的汽車上收集的。大多數(shù)最先進的SLAM方法都是在此數(shù)據(jù)集上進行評估的，例如ORB-SLAM、VINS Fusion、LIMO和LSD-SLAM。為了驗證算法的魯棒性，我們對KITTI數(shù)據(jù)集的所有序列（包括高速公路、市中心、縣道、居民區(qū)等不同場景）進行了評估。

? ? ? ? ? ? ? ? ?圖3:KITTI數(shù)據(jù)集序列00-10上不同定位方法的比較。

C 倉儲物流實驗

在本實驗中，我們的目標是建立一個自主的倉儲機器人來取代人工主導的制造業(yè)。AGV設計用于執(zhí)行日常任務，如運輸。這就要求機器人平臺在復雜的環(huán)境中主動定位。

1） 仿真環(huán)境：首先在一個仿真環(huán)境中驗證我們的算法。仿真環(huán)境建立在Gazebo和Linux-ubuntu18.04上。如圖4（a）所示，我們使用虛擬先鋒機器人和虛擬Velodyne VLP-16作為地面車輛平臺。模擬環(huán)境重建了一個復雜的倉庫環(huán)境，包括各種對象，如移動的工人、貨架、機器等。

圖4：具有靜態(tài)和動態(tài)對象的模擬倉庫環(huán)境(a） 露臺模擬環(huán)境(b） 模擬先鋒機器人和Velodyne激光雷達進行評估(c） F-LOAM與地面真值的軌跡比較。

2） 實驗：為了進一步驗證我們的方法的性能，我們在一個實際的用于智能制造的AGV上實現(xiàn)了F-LOAM。如圖5（b-e）所示，倉庫環(huán)境由三個主要區(qū)域組成：自動充電站、物料搬運區(qū)和制造站。一個完全自主的工廠需要機器人將材料運送到制造機器上進行裝配和收集產(chǎn)品。所有這些操作都需要精確定位，以確保可靠性和安全性。用于測試的機器人平臺如圖5（a）所示，并配有Intel NUC微型計算機和Velodyne VLP-16傳感器。定位和建圖結果如圖5所示。在這種情況下，機器人自動探索倉庫，并使用所提出的方法同時構建地圖。

圖5：倉庫環(huán)境中的壤土(a） 用于實驗的自動引導車(b-e）為AGV操作構建的先進工廠環(huán)境，包括操作機器、自動充電站和存儲架。中心圖像：倉庫定位和建圖的F-LOAM結果。

3） 性能評估

本文提出的方法也在裝有 VICON 系統(tǒng)的室內進行了測試，以評估其定位精度。機器人被遙控在測試區(qū)域內移動。結果如圖6所示，其中F-LOAM軌跡和地面真實軌跡分別以綠色和紅色繪制。可以看出，我們的方法可以精確地跟蹤機器人的姿態(tài)。與 VICON 系統(tǒng)提供的地面真值相比，它的平均定位精度達到2厘米。

圖6：所提出的方法與地面真值的比較。該方法能精確跟蹤機器人的位姿，平均定位誤差為2cm

定位精度和計算成本的對比

總結

本文提出了一個計算效率高的LiDAR-SLAM框架，旨在為有限計算資源的機器人應用提供一個良好的解決方案。與傳統(tǒng)方法相比，我們提出使用非迭代的兩級失真補償來減少計算量。另外，在連續(xù)掃描點云幀過程中，通常會提取局部平滑度較高的邊緣特征和平滑度較低的平面特征，這對于掃描幀與地圖的匹配更為重要。因此，在迭代姿態(tài)估計中也考慮了局部幾何特征。為了驗證該方法在實際應用中的魯棒性，進行了深入的實驗，包括仿真、室內AGV試驗和室外自主駕駛試驗。在室內測試中平均定位精度達到2cm，是KITTI數(shù)據(jù)集中最準確、最快的開源方法之一。

資源

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總結

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