3D慣導(dǎo)Lidar SLAM

LIPS: LiDAR-Inertial 3D
Plane SLAM

摘要

本文提出了最近點平面表示的形式化方法，并分析了其在三維室內(nèi)同步定位與映射中的應(yīng)用。提出了一個利用最近點平面表示的無奇異平面因子，并在基于圖的優(yōu)化框架中證明了它與慣性預(yù)積測量的融合。所得到的LiDAR慣性三維平面SLAM（LIPS）系統(tǒng)在定制的LiDAR模擬器和實際實驗中都得到了驗證。

導(dǎo)言

準(zhǔn)確、魯棒的室內(nèi)定位和地圖繪制是非調(diào)音機器人應(yīng)用的基本要求。室內(nèi)環(huán)境通常是豐富的指示信息，如直線和平面，應(yīng)加以利用，以實現(xiàn)高精度的同時定位和制圖（SLAM）。盡管室內(nèi)環(huán)境不允許使用GPS進(jìn)行定位，但借助外部傳感器（如攝像機[1，2]、光探測和測距（LiDAR）傳感器[3，4]甚至聲納[5]的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）已經(jīng)證明有效。最近激光雷達(dá)傳感技術(shù)在重量和尺寸上都有所減少，允許便攜式和手持使用，每秒在周圍環(huán)境中提供高達(dá)220萬個數(shù)據(jù)點。激光雷達(dá)已被證明是有效的紋理少和低光環(huán)境，典型的辦公室和建筑內(nèi)部，提供高信噪比（SNR）的測量。從根本上說，激光雷達(dá)傳感器不依賴于其他傳感器（如相機）所需的照明或紋理特性。激光雷達(dá)傳感器的一個挑戰(zhàn)是如何處理大量無序的三維點數(shù)據(jù)，以便包含在估計。一傳統(tǒng)的方法是使用迭代閉合點（ICP）解算器來確定姿勢之間的相對變換。使用ICP只恢復(fù)相對姿態(tài)，防止在狀態(tài)中包含信息量大的環(huán)境元素，如平面估計使用平面基元進(jìn)行估計的第一個挑戰(zhàn)是它們的參數(shù)化[6]。最常見的表示是平面的法向矢量和距離標(biāo)量，稱為黑森形式。自Hesse形式是一個過度參數(shù)化的形式，它在最小二乘中會受到奇異信息矩陣的影響。

為了避免這種過度參數(shù)化，通常使用包含兩個角（水平角和垂直角）和一個距離標(biāo)量的球面坐標(biāo)作為其誤差狀態(tài)表示。雖然這是最小的，但當(dāng)垂直角等于±∏2時，它會受到模糊性的影響。最近，Kaess[6]提出使用單位四元數(shù)及其無奇異性的3自由度乘性誤差狀態(tài)，該狀態(tài)與平面的幾何聯(lián)系不清楚，其數(shù)值穩(wěn)定性可能不是最優(yōu)的。相比之下，在這項工作中，提倡使用最近點（CP）表示法，該表示法由平面上距離給定參考系原點最近的點定義。CP表示不僅捕獲了所有的幾何平面信息，而且用一個簡單的加法錯誤狀態(tài)操作來最小限度地表示平面，從而得到數(shù)值結(jié)果優(yōu)點。規(guī)格在財務(wù)上，利用飛機的CP代表性，通過對三維室內(nèi)SLAM的圖形優(yōu)化，融合了三維激光雷達(dá)的平面原始測量和慣性測量單元（IMU）的運動信息（以連續(xù)IMU預(yù)積分的形式[7，8]）。

本文的主要貢獻(xiàn)如下：

?最近點（CP）平面表示法的制定、奇點分析及其在三維平面SLAM中作為平面表示和誤差狀態(tài)的使用。

?設(shè)計一種新的激光雷達(dá)慣性三維平面SLAM（LIPS）系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有基于圖形優(yōu)化的魯棒相對平面錨定因子，有效克服了CP表示的奇異性問題。

?開發(fā)用于評估激光雷達(dá)輔助定位算法的通用激光雷達(dá)模擬器，該模擬器是開源的，以更好地造福社區(qū)。

?通過蒙特卡羅模擬和實際實驗驗證提議的LIPS系統(tǒng)。

奇異性非常適合使用基于距離的傳感器（如激光雷達(dá)和rgbd相機）進(jìn)行平面估計，因為從這些傳感器中提取的平面如果在提取的框架中表示出來，就不會被錯誤地定義。只有當(dāng)將局部CP平面L∏轉(zhuǎn)換為平面與其原點相交的框架時，才會出現(xiàn)奇異性（見圖2），在[14]中還指出，從距離傳感器中提取的接近與傳感器框架相交的平面如果被發(fā)現(xiàn)和丟棄，應(yīng)視為“不可靠”。

為了評估該系統(tǒng)的可行性，開發(fā)了一個定制的LiDAR-IMU模擬器。創(chuàng)建了一個二維平面圖，并將其垂直拉伸，以創(chuàng)建一個Man hattan世界環(huán)境（為清晰起見，注意到CP表示可以處理任意平面方向）。一組有序的三維控制點用于創(chuàng)建穿過環(huán)境的三維樣條軌跡（生成的軌跡見圖5）。利用解析樣條微分法，可以得到沿軌道任意時刻的真實IMU測量值。在給定的激光雷達(dá)探測頻率下，光線是使用由角分辨率和垂直天頂確定的固有激光雷達(dá)傳感器模型產(chǎn)生的角度。生成然后光線與環(huán)境中的所有平面相交，并找到所有光線平面交點。最后一步執(zhí)行無效的交叉點，不應(yīng)產(chǎn)生由于遮擋，通過強制每個光線只應(yīng)擊中平面，最接近的LiDAR幀。

在這項測試中，平面物體被放置在激光雷達(dá)周圍，以便于進(jìn)行RANSAC提取，避免退化運動[38]，并確保激光雷達(dá)在所有自由度上都受到充分限制（見圖6）。在10hz下工作的八通道量子M8激光雷達(dá)使用了附加在激光雷達(dá)底部的微應(yīng)變3DM-GX3-25慣性測量單元以500赫茲工作的激光雷達(dá)。人工估計了激光雷達(dá)到IMU的外部變換，但這可以很容易地添加到因子圖中進(jìn)行在線估計。為了評估估計漂移，將傳感器單元移到平面前面并返回到相同的起始位置。如圖7所示，在30米的軌跡距離后，開始姿勢和結(jié)束姿勢之間的差異為1.5厘米，對應(yīng)于在軌跡長度上0.05%的誤差。

總結(jié)

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