从零入门激光SLAM（一）——什么是SLAM

<blockquote class="kdocs-blockquote" style="">   大家好呀，我是一个SLAM方向的在读博士，深知SLAM学习过程一路走来的崎岖，也非常感谢各位大佬的优质文章和源码。随着知识的越来越多，越来越细，我准备整理一个自己的激光SLAM学习笔记专栏，从0带大家快速上手激光SLAM，也方便想入门SLAM的同砚和小白学习参考，相信看完会有一定的劳绩。如有不对的地方欢迎指出，欢迎各位大佬交换讨论，一起进步。    1.什么是SLAM

   SLAM的全称是Simultaneous Localization and Mapping即时定位与舆图构建，为解决呆板人自主导航的题目。人在一个未知的情况下也不知怎样行进，我们闭着眼睛也不知道怎么走路，呆板人如人一样，也必要一个“眼睛”与情况之间交互知道自己的位置，而且可以大概创建一个舆图来让呆板人自主导航。如下图所是，相机相当于我们的眼睛，激光雷达像是成千上万个很长的拐棍去勘探障碍物，舆图相当于我们一样平常用的导航舆图。呆板人有了这些东西就可以举行走路（决策、规划、控制）。
   在过去的十年里，SLAM题目标解决方案不停是呆板人邻域最显著的成就之一。SLAM作为一种理论方法，它被以多种差别情势的方式被提出并解决，它被广泛的应用到了室内、室外、水下和空中等的情况中。同时SLAM技术对于无人驾驶来说是一项必不可少的技术。在GPS精度差，信号不稳定的情况中，SLAM技术是实现自主导航的条件。
                         现在你只必要知道SLAM题目可以分为以下两部门：
  Localization：在给定舆图的情况下，估计呆板人的位姿；
  Mapping：在给定呆板人位姿的情况下，估计环田舆图；
  2.SLAM发展进程

  2.1传统期间

   Classical Age(1986-2004):SLAM题目标提出，并将该题目转换为一个状态估计题目，使用扩展卡尔曼滤波、粒子滤波及最大似然估计等本领来求解。第一个挑战是效率和数据关联（求解位姿）的鲁棒性题目。
                         2.2算法分析期间

   algorithmic-analysis age: (2004-2015)研究SLAM的根本特性，包罗观测性、收敛性和同等性。研究者们明确了希罕特征在高效SLAM解决方案中的告急脚色，开发了主要开源SLAM库。
                         2.3鲁棒性-推测性期间

   robust-perception（2015-）：鲁棒性、高级别的场景明确，多传感器融合，盘算资源优化，任务驱动的情况感知。
                          2.4未来发展

  未来SLAM的发展方向可以归结为以下几点：
  （1）解决鲁棒性题目
  （2）基于监督学习的特征点提取方法
  （3）基于监督学习的图像深度估计
  （4）基于无监督学习图像深度与里程计估计
  （5）语义舆图的创建与表达
  （6）主动式SLAM
  （7）基于新的非传统的传感器的SLAM
  （8）多节点车路协同下的SLAM
   在理论和概念层面上，SLAM现在可以被以为是一个已解决的题目了。然而，在实际实现更通用的SLAM解决方案方面，尤其是在构建和使用感知丰富的舆图作为SLAM算法的一部门方面，仍旧存在大量棘手的题目。比方一个地下车库停车的SLAM场景就必要在已有的SLAM算法基础上举行优化和多传感器融合才气到达不错的结果。
  3.SLAM种类

  3.1 SLAM种类先容

   SLAM的种类与传感器的发展息息相干，最开始的图像SLAM到背面的激光SLAM。比年来，随着激光雷达、摄像机、惯性测量单元等传感器的快速发展，SLAM技术应运而生。常见的SLAM分类有激光SLAM、视觉SLAM、多传感器融合SLAM和基于深度学习的SLAM。
                         各传感器的特点也决定了各种SLAM算法的特点，下面将简朴先容一下常见传感器的优缺点。
  

• 激光雷达：机器、固态、肴杂
  

  优点：精度高、频率快、不受光线影响、盘算量小
  缺点：成本高、信息量有限、功耗大
  

• 摄像头：单目、双目、RGB-D相机、全景相机
  

  优点：自制、体积小、信息丰富
  缺点：盘算量大、易受干扰、对情况假设强
  

• 惯性测量单元：IMU、轮速计
  

  优点：可以测量出载体的加快率和角加快率，结合数学方法快速盘算出载体的位置和姿态信息。
  缺点：随着时间增长会有漂移毛病
  3.2激光雷达简介

   本专栏将围绕激光SLAM的基础睁开，激光SLAM便是围绕激光雷达为主传感器举行感知的算法。激光雷达现在主要分为机器式和固态式，那么下面就先容一下激光雷达是什么。
                         

• 机器激光雷达
  

   机器激光雷达体积更大，总体来说代价更为昂贵，但测量精度相对较高。机器激光雷达的工作原理是使用激光束在周围情况中反射并返回到传感器的时间来确定距离。当激光束照射到一个物体上时，它会被反射回传感器，而且传感器可以通过测量返回的激光脉冲的时间来盘算物体的距离。通过不停旋转反射镜，激光束可以在程度和垂直方向上扫描周围情况，并创建出物体的三维点云图，通常可以扫描360度。
                                                来一个平凡点的表明，想像出一个竖起来的梳子，每个梳齿向外发射激光并吸收，现在让它旋转起来，每一个梳齿都会扫描一圈，有多少个梳齿就是我们常说的多少线激光雷达。下图右上的图是点云投影到图片的，可以看到像梳子一样一条一条分列的，右下是一帧的三维点云。
                         

• 固态激光雷达
  

   固态激光雷达尺寸较小，成本低，但测量精度相对会低一些。一些非完全旋转的激光雷达也被统称为“固态激光雷达”，它们具备了固态激光雷达很多的性能特点，如分辨率高、有限程度FOV（前向而不是360°）等。
   固态激光雷达则采用固态光电元件，如半导体激光器和光电探测器，代替了机器部件，从而进步了可靠性和稳定性。固态激光雷达的工作原理与机器激光雷达类似，也是使用激光束发射并吸收反射回来的信号来测量距离，但其发射和吸收是由固态电路实现的，可以通过电子控制来调解激光束的方向和强度。这种激光雷达具有更快的测量速率和更高的精度，但由于使用了固态光电元件，其成本相对较高。
   因此，机器激光雷达和固态激光雷达的主要区别在于技术实现方式，机器激光雷达必要旋转部件来扫描整个场景，而固态激光雷达使用固态电路来控制激光束的方向和强度。下图是livox的avia的工作原理，点云形状像是一朵花。
                          真实用起来点云是如许的：
                         使用光学相控阵扫描技术的固态激光雷达简直有很多上风，比方：
  ①其结构简朴，尺寸小，无需旋转部件，在结构和尺寸上可以大大压缩，进步使用寿命并使其成本低落。
  ②扫描精度高，光学相控阵的扫描精度取决于控制电信号的精度，可以到达千分之一度量级以上。
  ③可控性好，在答应的角度范围内可以做到恣意指向，可以在重点区域举行高密度的扫描。
  ④扫描速率快，光学相控阵的扫描速率取决于所用质料的电子学特性，一般都可以到达MHz量级。
  固然固态激光雷达也同样存在一些劣势，如：
  ①扫描角有限，固态意味着激光雷达不能举行360度旋转，只能探测火线。因此要实现全方位扫描，需在差别方向部署多个（至少前后两个）固态激光雷达
  ②旁瓣题目，光栅衍射除了中心明纹外还会形成其他明纹，这一题目会让激光在最大功率方向以形状成旁瓣，分散激光的能量。
  ③加工难度高，光学相控阵要求阵列单元尺寸必须不大于半个波长，一般现在激光雷达的工作波长均在1微米左右，故阵列单元的尺寸必须不大于500nm。而且阵列密度越高，能量也越会集，这都进步了对加工精度的要求，必要一定的技术突破。
  ④吸收面大、信噪比差：传统机器雷达只必要很小的吸收窗口，但固态激光雷达却必要一整个吸收面，因此会引入较多的情况光噪声，增长了扫描解析的难度。
  3.3 激光SLAM

   上面说了那么多，总算引出我们的主角激光SLAM，激光SLAM就是根据前后帧之间的点云匹配，估算出位姿，再根据点云和盘算出的位姿举行建图。下图就是两个点云举行匹配，具体算法背面会先容，现在只必要知道位姿是通过点云匹配盘算来的就好。
                          纯激光SLAM主要分为2D和3D，下图给出一些经典的算法，固然现在另有多传感器紧耦合的算法，本专栏先不涉及。
                         下面给出2d和3dSLAM的样例，现在你只必要有个印象，背面会手把手带你跑起来这些代码。
  

• 2D建图
  

                         

• 3D建图
  

                         4.SLAM的应用场景举例

   上面说了一大堆，SLAM具体有什么用呢，什么AI，元宇宙，游戏等等都太大了，博主能不能举一个具体的例子。好，扫地呆板人：
                                                                        请各位小主自行领会更多的应用场景，现在相信你知道激光SLAM是什么东西，要干什么了。下一期内容将带你走进Ubuntu体系。
  <blockquote class="kdocs-blockquote" style="">   感谢各位小同伴能读到这里，如有不清晰或不对的地方欢迎评论区讨论，博主也是初学者，按自己明确区表明，恳请各位明确，下一篇将很快到来～   
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来源：https://blog.csdn.net/HUASHUDEYANJING/article/details/129696250
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