实时激光SLAM中的Google Cartographer:5厘米分辨率实时建图与环路闭合

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Google Cartographer是一种由Google开发的实时激光雷达SLAM(Simultaneous Localization and Mapping,同时定位与建图)系统,专为便携式激光雷达范围测量设备设计,如LiDAR(Light Detection and Ranging)。SLAM技术在建筑测绘、环境感知、机器人导航等领域有着广泛的应用,它能够实时生成和更新地图,帮助操作人员评估数据质量和覆盖范围。 在实际应用中,尤其是在背包式测绘平台中,由于需要在有限的计算资源下运行,实时性和精度是关键考量因素。Google Cartographer采用了一种分支和剪枝方法来计算扫描数据与子地图之间的匹配,作为实现即时循环闭合(Loop Closure)的约束条件。循环闭合是指在地图重建过程中,系统能够识别并确认先前已经探索过的区域,这对于保持地图的准确性至关重要。 相比于传统的SLAM算法,Google Cartographer在质量方面表现出竞争力。论文作者Wolfgang Hess、Damon Kohler、Holger Rapp和Daniel Andor展示了他们的背包式平台如何在5厘米分辨率下实现实时建图和循环闭合,这对于高效地获取室内或户外的高精度地形图非常有价值。这种方法避免了手动测量的繁琐,提高了工作效率,并且对于建筑管理、空间规划以及机器人路径规划等任务具有显著的优势。 为了实现这一目标,论文详细介绍了以下步骤和技术: 1. **实时数据处理**:利用高效的算法处理来自LiDAR的数据流,确保实时性和响应性。 2. **局部地图构建**:通过连续的激光扫描数据生成实时的局部地图,每个子地图代表当前环境的一个片段。 3. **匹配与循环闭合检测**:通过分支和剪枝策略搜索最佳的匹配,将新扫描与之前构建的子地图进行对比,判断是否为已知区域。 4. **优化地图结构**:当循环闭合被确认后,更新地图结构,合并新信息,提高整体地图的精确度和完整性。 5. **性能评估与比较**:实验结果表明,Google Cartographer在实时性、精度和稳定性上与业界主流方法相当,甚至在某些情况下有所超越。 Google Cartographer是一个强大的工具,它将激光雷达数据融合到SLAM框架中,实现了高效的实时建图和循环闭合,适用于各种对地图精度和实时反馈有严格要求的场景。随着技术的发展,Google Cartographer有望继续推动LiDAR SLAM技术的进步,为未来的自动化测绘和机器人导航提供关键支撑。
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Cartographer主要理论是通过闭环检测来消除构图过程中产生的累积误差[1]。用于闭环检测的基本单元是submap。一个submap是由一定数量的laser scan构成。将一个laser scan插入其对应的submap时,会基于submap已有的laser scan及其它传感器数据估计其在该submap中的最佳位置。submap的创建在短时间内的误差累积被认为是足够小的。然而随着时间推移,越来越多的submap被创建后,submap间的误差累积则会越来越大。因此需要通过闭环检测适当的优化这些submap的位姿进而消除这些累积误差,这就将问题转化成一个位姿优化问题。当一个submap的构建完成时,也就是不会再有新的laser scan插入到该submap时,该submap就会加入到闭环检测中。闭环检测会考虑所有的已完成创建的submap。当一个新的laser scan加入到地图中时,如果该laser scan的估计位姿与地图中某个submap的某个laser scan的位姿比较接近的话,那么通过某种 scan match策略就会找到该闭环。Cartographer中的scan match策略通过在新加入地图的laser scan的估计位姿附近取一个窗口,进而在该窗口内寻找该laser scan的一个可能的匹配,如果找到了一个足够好的匹配,则会将该匹配的闭环约束加入到位姿优化问题中。Cartographer的重点内容就是融合多传感器数据的局部submap创建以及用于闭环检测的scan match策略的实现。