SLAM：SLAM(即時定位與地圖構(gòu)建)的簡介、發(fā)展、案例應(yīng)用之詳細攻略

SLAM的簡介

? ? ? ? SLAM (simultaneous localization and mapping),也稱為CML (Concurrent Mapping and Localization), 即時定位與地圖構(gòu)建，或并發(fā)建圖與定位。問題可以描述為：將一個機器人放入未知環(huán)境中的未知位置，是否有辦法讓機器人一邊移動一邊逐步描繪出此環(huán)境完全的地圖，所謂完全的地圖（a consistent map）是指不受障礙行進到房間可進入的每個角落。
? ? ? ? SLAM問題可以描述為: 機器人在未知環(huán)境中從一個未知位置開始移動,在移動過程中根據(jù)位置估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實現(xiàn)機器人的自主定位和導航。
? ? ? ? Simultaneous Localization And Mapping也稱為Concurrent Mapping and Localization并發(fā)建圖與定位CML 。SLAM最早由Smith、Self和Cheeseman于1986年提出。 由于其重要的理論與應(yīng)用價值，被很多學者認為是實現(xiàn)真正全自主移動機器人的關(guān)鍵。它是指搭載特定傳感器的主體，在沒有環(huán)境先驗信息的情況下，于運動過程中建立環(huán)境的模型，同時估計自己的運動。如果這里的傳感器主要為相機，那就稱為“視覺SLAM"。

1、我在什么地方？—定位，自身狀態(tài)。?周圍環(huán)境是什么樣？—建圖，外在環(huán)境。

? ? ? ? 室內(nèi)的話，可以在房間地板上鋪設(shè)導引線，在墻壁上貼識別二維碼，在桌子上放置無線電定位設(shè)備。如果在室外，還可以在小蘿卜腦袋上安裝GPS定位設(shè)備，像手機或汽車一樣。
? ? ? ? 把這些傳感器分為兩類。一類傳感器是攜帶于機器人本體上的，例如機器人的輪式編碼器、相機、激光等等。另一類是安裝于環(huán)境中的，例如前面講的導軌、二維碼標志等等。安裝于環(huán)境中的傳感設(shè)備，通常能夠直接測量到機器人的位置信息，簡單有效地解決定位問題。然而，由于它們必須在環(huán)境中設(shè)置，在一定程度上限制了機器人的使用范圍。比方說，有些地方?jīng)]有GPS信號，有些地方無法鋪設(shè)導軌，這時怎么做定位呢?
? ? ? ? 可知，這類傳感器約束了外部環(huán)境。只有在這些約束滿足時，基于它們的定位方案才能工作。雖然這類傳感器簡單可靠，但它們無法提供一個普遍的、通用的解決方案。相對的，那些攜帶于機器人本體上的傳感器，比如激光傳感器、相機、輪式編碼器、慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)等等，它們測到的通常都是一些間接的物理量而不是直接的位置數(shù)據(jù)。例如，輪式編碼器會測到輪子轉(zhuǎn)動的角度、IMU測量運動的角速度和加速度，相機和激光則讀取外部環(huán)境的某種觀測數(shù)據(jù)。我們只能通過一些間接的手段，從這些數(shù)據(jù)推算自己的位置。雖然這聽上去是一種迂回戰(zhàn)術(shù)，但更明顯的好處是，它沒有對環(huán)境提出任何要求，使得這種定位方案可適用于未知環(huán)境。

2、SLAM的問題描述

? ? ? ?機器人在未知環(huán)境中，從一個未知位置開始移動，在移動過程中根據(jù)位置估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實現(xiàn)機器人的自主定位和導航。

3、SLAM試圖解決的問題

? ? ? ?一個機器人在未知的環(huán)境中運動，如何通過對環(huán)境的觀測確定自身的運動軌跡，同時構(gòu)建出環(huán)境的地圖。SLAM技術(shù)正是為了實現(xiàn)這個目標涉及到的諸多技術(shù)的總和。

4、SLAM 2D與SLAM 3D

SLAM 2D

? ? ? ?SLAM定位時，僅用單線激光傳感器，在激光傳感器掃描的這一個平面上進行二維定位，在獲取精密的二維定位后，在此基礎(chǔ)上解算三維激光點云，成為一個完整的空間三維數(shù)據(jù)。

SLAM 3D

? ? ? ?要用三維激光傳感器，獲取三維數(shù)據(jù)，然后通過三維數(shù)據(jù)的特征點匹配進行定位，然后在三維定位基礎(chǔ)上，來解算和匹配完整的三維數(shù)據(jù)。

SLAM的發(fā)展

1、古人的牽星板

? ? ? ? 定位、定向、測速、授時是人們惆悵千年都未能完全解決的問題，最早的時候，古人只能靠夜觀天象和司南來做簡單的定向。直至元代，出于對定位的需求，才華橫溢的中國人發(fā)明了令人嘆為觀止的牽星術(shù)，用牽星板測量星星實現(xiàn)緯度估計。 ?

2、1964年美國投入GPS

? ? ? ? 1964年美國投入使用GPS，突然就打破了大家的游戲規(guī)則。軍用的P碼可以達到1-2米級精度，開放給大眾使用的CA碼也能夠?qū)崿F(xiàn)5-10米級的精度。后來大家一方面為了突破P碼封鎖，另一方面為了追求更高的定位定姿精度，想出了很多十分具有創(chuàng)意的想法來挺升GPS的精度。利用RTK的實時相位差分技術(shù)，甚至能實現(xiàn)厘米的定位精度，基本上解決了室外的定位和定姿問題。但室內(nèi)這個問題就難辦多了，為了實現(xiàn)室內(nèi)的定位定姿，一大批技術(shù)不斷涌現(xiàn)，其中，SLAM技術(shù)逐漸脫穎而出。

3、1988年正式提出SLAM

? ? ? ? SLAM最早由Smith、Self和Cheeseman于1988年提出。 由于其重要的理論與應(yīng)用價值，被很多學者認為是實現(xiàn)真正全自主移動機器人的關(guān)鍵。

• 有理解力的SLAM： 語義SLAM，精準感知并適應(yīng)環(huán)境。將語義分析與SLAM有效融合，增強機器對環(huán)境中相互作用的理解能力，為機器人賦予了復雜環(huán)境感知力和動態(tài)場景適應(yīng)力。
• 有廣度的SLAM：100萬平米強大建圖能力。借助高效的環(huán)境識別、智能分析技術(shù)，機器人將擁有室內(nèi)外全場景范圍高達100萬平米的地圖構(gòu)建能力。
• 有精度的SLAM：高精度定位領(lǐng)先算法。SLAM2.0可在任何地點進行開機識別、全局定位，精準度高達±2cm。
• 有時效的SLAM：動態(tài)地圖實時更新。根據(jù)傳感器回傳數(shù)據(jù)，與原有地圖進行分析比對，完成動態(tài)實時更新，實現(xiàn)life-long SLAM。

SLAM的案例應(yīng)用

1、AR/VR設(shè)備

根據(jù) SLAM 得到地圖和當前視角對疊加虛擬物體做相應(yīng)渲染，這樣做可以使得疊加的虛擬物體看起來比較真實，沒有違和感；

2、無人機器、無人駕駛領(lǐng)域

SLAM可以構(gòu)建局部地圖，輔助無人機進行自主避障、規(guī)劃路徑；

無人駕駛領(lǐng)域：?SLAM 技術(shù)可以提供視覺里程計功能，然后跟其他的定位方式融合；

• SLAM的重要性，有人說，SLAM是無人駕駛技術(shù)的靈魂；也有人曾打比方說，手機離開了WIFI和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，就像無人車和機器人離開了SLAM一樣。

3、機器人定位導航領(lǐng)域

機器人定位導航領(lǐng)域：SLAM 可以用于生成環(huán)境的地圖?；谶@個地圖，機器人執(zhí)行路徑規(guī)劃、自主探索、導航等任務(wù)。

• 核潛艇海底定位就有了SLAM的雛形。掃地機器人的盛行讓它名聲大噪，近期基于三維視覺的VSLAM又讓它越來越顯主流。

4、室內(nèi)機器人