SLAM相关知识

传感器数据

1.传感器的数据(Imu,摄像头,雷达)数据均可以在ros2的rviz中订阅话题然后显示

IMU-惯性测量单元:加速度计+陀螺仪+磁力计

#include <filter.hpp>  // 专用滤波库

2.滤波算法包括

平均滤波  低通滤波  中值滤波  卡尔曼滤波  互补滤波

SLAM算法

今天我们来谈一谈,为什么我们需要AMCL算法,它有何精妙之处?

1.AMCL定位算法是如何应运而生的?

局部路径规划 算法的一个输入就是start当前位置,所以必须不断的执行  “定位任务”

而传统的负责定位的 “里程计测距模块”本身不够健壮因为打滑/滑移导致估计位置和真实位置错位

所以必须需要某种算法利用雷达或者摄像头的扫描数据来计算校准start的位置

总结:局部规划需要start,而仅仅基于里程计的定位有漂移,导致局部器指令的“理论与现实”脱轨

2.AMCL算法是如何承担这个定位校准的任务的?

首先是随机撒点,给出周围各种(x,y,θ)的样本

计算出每个样本位置理论的扫描数据M1,M2,M3.....

接收下位机当前位置扫描的真实数据M'

比对谁的数据最接近M',谁就是真实的定位

为什么只帮里程计校准不负责,因为计算量注定无法高频校准

机器人操作系统(ROS)中,SLAM(Simultaneous Localization and Mapping,同时定位与地图构建)是一个核心模块,广泛用于移动机器人、自动驾驶和无人机等领域。其目标是在未知环境中实现机器人的自主导航,通过传感器数据实时构建环境地图并估计机器人自身的位置。 ### SLAM建图原理 SLAM的基本思想是通过融合来自多种传感器的数据(如激光雷达、摄像头、IMU等),在构建地图的同时估计机器人的运动轨迹。其数学模型可以表示为一个贝叶斯估计问题,即给定一系列传感器观测值 $ z_{1:t} $ 和控制输入 $ u_{1:t} $,求解机器人在每一时刻的状态 $ x_t $ 以及地图 $ m $ 的后验概率分布: $$ p(x_{1:t}, m | z_{1:t}, u_{1:t}) $$ 这一问题通常采用递归估计方法(如卡尔曼滤波、粒子滤波或非线性优化)进行求解。ROS 中常见的 SLAM 实现包括 **gmapping**(基于激光雷达的栅格地图构建)、**cartographer**(支持2D/3D激光雷达与IMU融合)以及 **ORB-SLAM2/3**(基于视觉的SLAM系统)[^2]。 ### ROS中SLAM的关键技术 #### 1. 传感器数据融合 ROS中的SLAM系统通常依赖多源传感器信息,例如: - **激光雷达**:提供高精度的距离测量数据,适用于二维或三维空间建模。 - **摄像头**:用于视觉SLAM,提取特征点(如ORB、SIFT、SURF)进行匹配与跟踪。 - **IMU(惯性测量单元)**:提供角速度与加速度信息,辅助运动估计与姿态校正。 这些传感器的数据通过滤波器(如扩展卡尔曼滤波 EKF 或无迹卡尔曼滤波 UKF)或因子图(Factor Graph)方式进行融合,以提高定位精度与鲁棒性。 #### 2. 地图表示形式 ROS 支持多种地图格式,主要包括: - **栅格地图(Occupancy Grid Map)**:将环境划分为二维或三维网格,每个单元表示该位置被占据的概率。 - **特征地图(Feature-based Map)**:基于关键点或地标(如视觉特征点)构建稀疏地图。 - **稠密地图(Dense Map)**:利用RGB-D相机或三维激光雷达构建高分辨率的几何地图。 #### 3. SLAM算法实现 ROS 中主流的 SLAM 算法包括: ##### (1) `gmapping` 基于 Rao-Blackwellized 粒子滤波器,适用于二维激光雷达数据,能够构建栅格地图。其优势在于计算效率较高,适合小型机器人平台。 ##### (2) `cartographer` 由 Google 开发,支持2D与3D SLAM,结合了回环检测与全局优化策略,能够在大规模环境中实现高精度建图。 ##### (3) `ORB-SLAM2/3` 基于视觉的SLAM系统,支持单目、双目与RGB-D相机,具备良好的实时性与鲁棒性。其核心流程包括特征提取、跟踪、局部建图与回环检测[^1]。 #### 4. 回环检测(Loop Closure) 回环检测是SLAM系统提升地图一致性的重要机制。通过识别机器人曾访问过的区域,对轨迹进行全局优化,减少累积误差。常用方法包括词袋模型(Bag-of-Words, BoW)与深度学习特征匹配。 #### 5. 轨迹优化与地图更新 现代SLAM系统通常采用图优化(Graph-based Optimization)方法,将机器人位姿与地图特征点作为图节点,通过最小化重投影误差或距离误差来优化整体轨迹。 --- ### 示例代码:使用ROS运行`gmapping`进行SLAM建图 ```bash # 启动机器人仿真与激光雷达驱动 roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_world.launch # 启动 gmapping 节点 roslaunch turtlebot3_slam turtlebot3_gmapping.launch # 启动键盘控制节点 roslaunch turtlebot3_teleop turtlebot3_teleop_key.launch # 查看地图 rosrun map_server map_saver -f ~/my_map ``` 上述命令演示了如何在 TurtleBot3 平台上使用 `gmapping` 构建二维栅格地图,并保存为文件供后续导航使用。 --- ###
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