低精度算术提升机器人定位效率 - 亚马逊科学团队技术创新

低精度算术提升机器人定位效率

同步定位与建图（SLAM）是自主移动机器人的核心技术，需同时构建环境地图并确定机器人位置。由于SLAM计算密集，在资源受限的消费级机器人上部署时需采用计算优化技术。

混合精度计算创新

低精度浮点算术（减少小数点位数的比特表示）是深度学习领域的常用技术，将比特数从标准32位减半至16位可提升一倍效率且几乎不影响精度。但SLAM涉及连续值函数的非线性优化问题，需要更高精度。

亚马逊团队设计了新型混合精度求解器，在SLAM算法中组合使用fp64、fp32和fp16三种精度：

1. 残差评估需使用单精度或更高精度
2. 位姿更新的六自由度计算需使用双精度
   通过矩阵正则化和缩放避免溢出与秩亏问题，在保持精度的同时显著提升效率。

视觉里程计优化

基于滑动窗口的捆集调整（BA）是视觉里程计的核心，传统方法存在线性化误差。团队采用混合精度共轭梯度法（CGNR）：

• 矩阵向量乘积使用半精度（占计算量83%）
• 其他操作保持单精度
  在NVIDIA V100 GPU上比单精度求解器节省41%计算时间。

闭环检测优化

位姿图优化（PGO）处理全局轨迹修正时，问题规模可从数百个位姿增长至数千个。团队采用：

• 静态不完全Cholesky预处理器加速收敛
• 三角系统求解使用半精度
• 其他操作保持单精度
  平均减少26%计算时间，精度与全精度求解器相当。

实际应用价值

实验数据显示：

• 未修正的轨迹平均误差达0.1米
• 经闭环修正后误差降至10^-4米量级
  混合精度求解器使设备端SLAM在保持精度的同时，计算速度更快且能耗更低。

（完整技术细节和实验数据请参阅原文图表）
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