SLAM實(shí)現(xiàn)的任務(wù)是根據(jù)傳感器觀察創(chuàng)建一致的世界地圖。這項(xiàng)任務(wù)需要檢測(cè)以前訪問(wèn)過(guò)的區(qū)域，并使用這些信息來(lái)細(xì)化軌跡（及其尾部，當(dāng)前的車輛姿態(tài)估計(jì)）。在SLAM術(shù)語(yǔ)中，這些事件稱為閉環(huán)，是減少隨時(shí)間累積的漂移量的關(guān)鍵。

制圖師是一種最初由谷歌開(kāi)發(fā)的開(kāi)源 LiDAR 圖形 SLAM 堆棧。圖形SLAM實(shí)現(xiàn)的架構(gòu)通常被視為由兩部分組成：特定于傳感器的前端，用于處理傳感器數(shù)據(jù)并構(gòu)建姿勢(shì)圖，以及與傳感器無(wú)關(guān)的后端，用于執(zhí)行姿態(tài)圖優(yōu)化。制圖師包括兩個(gè)組件：本地軌跡生成器（也稱為本地 SLAM）和全局 SLAM。

本地軌跡生成器組件是SLAM前端的一部分。它使用體素占用網(wǎng)格掃描匹配器和地圖構(gòu)建器來(lái)構(gòu)建一組時(shí)間緊湊的子地圖，其中每個(gè)掃描都插入到兩個(gè)相鄰的子地圖中。前端的第二部分是全局SLAM組件的約束生成器子系統(tǒng)，它使用基于分支和邊界的快速相關(guān)掃描匹配器來(lái)發(fā)現(xiàn)舊子映射和新激光掃描之間的閉環(huán)對(duì)應(yīng)關(guān)系，反之亦然。

硬件說(shuō)明

我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)置包括由Kopterworx公司組裝的定制四軸飛行器，如圖1所示。它具有四個(gè)T型電機(jī)P60 KV170推進(jìn)裝置和22“折疊螺旋槳。車輛尺寸為1.2 x 1.2 x 0.45m，質(zhì)量m = 9kg，包括所有電子設(shè)備和電池。更大的車輛規(guī)?？蓪?shí)現(xiàn)更大的機(jī)載電池容量，允許30分鐘的自主飛行時(shí)間。我們使用Pixhawk 2.1飛行控制器和ProfiCNC / HEX Kore大電流電源板。我們還安裝了一臺(tái)英特爾NUC 迷你電腦機(jī)載計(jì)算機(jī)，通過(guò)串行通信與飛行控制器通信。

圖1用于我們實(shí)驗(yàn)的無(wú)人機(jī)平臺(tái) 操作員可以通過(guò)WiFi接口訪問(wèn)NUC。安裝在車載計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)是帶有ROS Melodic中間件的Ubuntu Linux 18.04 LTS。除了飛行控制器外，機(jī)載計(jì)算機(jī)還與飛行器的完整感官設(shè)備進(jìn)行通信，并運(yùn)行高級(jí)計(jì)算密集型算法。此外，我們還連接了基于U-blox M8P IC的Velodyne Puck LITE LiDAR、LPMS CU2 外部 IMU 和 HERE+ GPS。這些實(shí)驗(yàn)是在Borongaj大學(xué)校園的戶外進(jìn)行的。在圖2所示的實(shí)驗(yàn)中，GPS測(cè)量用于對(duì)軌跡進(jìn)行地理配準(zhǔn)。

圖2制圖師針對(duì)不同 GPS 設(shè)置報(bào)告的無(wú)人機(jī)坐標(biāo)比較

安全閉環(huán)

? 圖1中的圖表記錄在圍繞一棟小建筑物的圓形軌跡上。軌跡足夠長(zhǎng)，全局SLAM可以將一些閉環(huán)校正插入到姿勢(shì)圖中，并在優(yōu)化中使用它們。這些在圖1所示的z軸圖上清晰可見(jiàn)，因?yàn)樗鼈儠?huì)在姿勢(shì)估計(jì)中引入階躍干擾。而引入的比例因子消除了這些臺(tái)階干擾，并確保了平滑的姿態(tài)估計(jì)。

圖3在循環(huán)閉合的情況下，將過(guò)濾后的姿勢(shì)估計(jì)值與原始制圖師的姿態(tài)估計(jì)值進(jìn)行比較

在空中SLAM中使用全球定位系統(tǒng)

? 由于大多數(shù)無(wú)人機(jī)默認(rèn)配備GPS傳感器，因此我們嘗試?yán)么藗鞲衅鲗?duì)SLAM軌跡進(jìn)行地理參考。在我們的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，GPS的標(biāo)準(zhǔn)偏差通常大于1.5米，因此事實(shí)證明，在軌跡優(yōu)化中使用具有挑戰(zhàn)性。Pixhawk過(guò)濾的位置信號(hào)具有明顯的垂直漂移-起飛和著陸高度測(cè)量值之間存在80厘米的差異（實(shí)際上應(yīng)該是相同的）。 ? 我們嘗試調(diào)整權(quán)重，該權(quán)重控制GPS測(cè)量如何影響姿勢(shì)估計(jì)，以便對(duì)軌跡進(jìn)行地理參考。不幸的是，我們還沒(méi)有設(shè)法完全消除不準(zhǔn)確的GPS測(cè)量對(duì)姿態(tài)估計(jì)的負(fù)面影響，而不會(huì)在優(yōu)化過(guò)程中極大地減輕它們的重量，延長(zhǎng)獲得位置和方向鎖定所需的時(shí)間。圖2顯示了制圖員在不使用 GPS 測(cè)量值和兩種不同的 GPS 測(cè)量權(quán)重的情況下報(bào)告的姿態(tài)估計(jì)值。Pixhawk報(bào)告的GPS測(cè)量值（因此軌跡僅限于它們）不一致，因?yàn)閳?bào)告的起飛和著陸高度不匹配。該圖還顯示了在第一個(gè)姿勢(shì)圖優(yōu)化時(shí)報(bào)告的高度的劇烈變化。 ? 較短的 SLAM 軌跡（例如圖2中在沒(méi)有GPS 測(cè)量的情況下處理的軌跡）可以被視為地面實(shí)況，盡管沒(méi)有地理配準(zhǔn)，因?yàn)椴煌?LiDAR 點(diǎn)云要素（如墻壁和屋頂邊緣）在地圖中保持一致。這種一致性主要是由于發(fā)現(xiàn)的閉環(huán)約束，軌跡不同部分的激光掃描被正確交叉配準(zhǔn)。 ?

導(dǎo)航

? 提取制圖師子地圖，將其轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云并使用這些點(diǎn)云構(gòu)建OctoMap，使我們的無(wú)人機(jī)能夠在其環(huán)境中規(guī)劃無(wú)碰撞路徑。因此，在我們的系統(tǒng)中引入OctoMap使我們不僅可以使用制圖師進(jìn)行姿態(tài)反饋，還可以將其用作導(dǎo)航有用的環(huán)境信息來(lái)源。圖4 顯示了使用 Cartographer子地圖云構(gòu)建的OctoMap示例，其中還顯示了無(wú)人機(jī)在導(dǎo)航過(guò)程中經(jīng)過(guò)的路徑。 ?

圖4導(dǎo)航期間創(chuàng)建的八元圖，其中包含無(wú)人機(jī)經(jīng)過(guò)的路徑 環(huán)路閉合的過(guò)濾和子地圖云的提取是對(duì)制圖器代碼庫(kù)的有益補(bǔ)充。前者使姿態(tài)估計(jì)更適合于控制系統(tǒng)反饋，因?yàn)樗嗽诃h(huán)路閉合事件期間引入的階躍信號(hào)，而后者創(chuàng)造了使用子地圖規(guī)劃無(wú)人機(jī)執(zhí)行的無(wú)碰撞路徑的可能性。目前最好避免在制圖師的這種特定配置中使用M8P GPS傳感器，因?yàn)樗鼘?duì)姿勢(shì)估計(jì)質(zhì)量有不利影響。所描述的GPS對(duì)準(zhǔn)方法之前已成功測(cè)試并用于地面車輛（赫斯基AGV）的控制回路，以及基于制造商N(yùn)ovatel制造的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的專有商業(yè)勘測(cè)級(jí)LiDAR數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

審核編輯 ：李倩