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雙擎科技(杭州)有限公司
中級(jí)會(huì)員 | 第2年

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SLAM的基本原理

時(shí)間:2025/3/12閱讀:375
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SLAM(Simultaneous Localization and Mapping),即同步定位與地圖構(gòu)建,其基本原理是讓機(jī)器人在未知環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí),通過傳感器感知周圍環(huán)境信息,同時(shí)利用這些信息來估計(jì)自身的位置和姿態(tài),并構(gòu)建地圖,具體如下:


  • 傳感器感知

    • 激光雷達(dá):它通過發(fā)射激光束并測(cè)量反射光的時(shí)間來獲取周圍環(huán)境的距離信息,生成點(diǎn)云數(shù)據(jù),能精確地描述周圍物體的位置和輪廓,為地圖構(gòu)建提供了豐富的幾何信息。

    • 視覺傳感器:攝像頭可以拍攝機(jī)器人周圍的圖像,提供豐富的紋理和顏色信息。通過對(duì)圖像的分析,如特征點(diǎn)提取、匹配等,可以獲取環(huán)境的視覺特征,用于定位和地圖構(gòu)建。

  • 定位

    • 里程計(jì):一般利用機(jī)器人的輪子編碼器或關(guān)節(jié)傳感器來測(cè)量機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),推算出機(jī)器人在一段時(shí)間內(nèi)的位移和姿態(tài)變化。但隨著時(shí)間的推移,里程計(jì)的誤差會(huì)逐漸積累,導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確。

    • 傳感器融合定位:為了提高定位精度,通常會(huì)將里程計(jì)信息與其他傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。例如,結(jié)合激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和視覺傳感器的圖像信息,通過算法來估計(jì)機(jī)器人的精確位置和姿態(tài)。常見的方法有擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)、粒子濾波等,這些算法可以有效地處理傳感器的噪聲和不確定性,提高定位的準(zhǔn)確性和魯棒性。

  • 地圖構(gòu)建

    • 基于特征的地圖構(gòu)建:從傳感器數(shù)據(jù)中提取特征點(diǎn),如角點(diǎn)、直線等,并將這些特征點(diǎn)的位置和描述信息存儲(chǔ)在地圖中。在定位過程中,通過匹配當(dāng)前觀測(cè)到的特征點(diǎn)與地圖中的特征點(diǎn)來確定機(jī)器人的位置。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是地圖數(shù)據(jù)量小,便于存儲(chǔ)和處理,但可能會(huì)丟失一些環(huán)境信息。

    • 基于柵格的地圖構(gòu)建:將環(huán)境劃分為一個(gè)個(gè)小的柵格,每個(gè)柵格表示一個(gè)區(qū)域是否被障礙物占據(jù)。通過傳感器對(duì)環(huán)境的感知,不斷更新柵格的狀態(tài),從而構(gòu)建出環(huán)境的地圖。這種方法能夠直觀地表示環(huán)境的空間分布,但對(duì)于大規(guī)模環(huán)境,地圖數(shù)據(jù)量較大。

  • 回環(huán)檢測(cè)

    • 在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中,當(dāng)它回到之前訪問過的區(qū)域時(shí),需要能夠檢測(cè)到這種情況,即回環(huán)檢測(cè)?;丨h(huán)檢測(cè)可以有效地消除累計(jì)誤差,提高地圖的一致性和準(zhǔn)確性。常用的回環(huán)檢測(cè)方法包括基于視覺特征的匹配、基于激光點(diǎn)云的匹配等。當(dāng)檢測(cè)到回環(huán)時(shí),通過優(yōu)化算法對(duì)機(jī)器人的軌跡和地圖進(jìn)行調(diào)整,使地圖更加準(zhǔn)確和一致。

  • 優(yōu)化與融合

    • 為了得到更準(zhǔn)確的定位和地圖,需要對(duì)整個(gè) SLAM 系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化算法通?;趫D優(yōu)化理論,將機(jī)器人的位姿和地圖點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn),將傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)作為邊,通過最小化誤差函數(shù)來調(diào)整節(jié)點(diǎn)的位置,使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到良好狀態(tài)。


SLAM 通過傳感器感知、定位、地圖構(gòu)建、回環(huán)檢測(cè)和優(yōu)化等多個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)同工作,使機(jī)器人能夠在未知環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主定位和地圖構(gòu)建,為機(jī)器人的導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等任務(wù)提供基礎(chǔ)。


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