激光SLAM:cartographer

cartographer是Google的实时室内SLAM解决方案,基于ceres非线性优化,适用于商业应用和再开发。它支持多传感器数据建图,包括2D/3D SLAM,并通过submap和loop closure解决误差累积。本文介绍了cartographer的版本需求、组件及安装过程。

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cartographer简介

        cartographer是google开发的实时室内SLAM项目,cartographer采用基于google自家开发的ceres非线性优化的方法,cartographer的亮点在于代码规范与工程化,非常适合于商业应用和再开发。并且cartographer基于submap子图构建全局地图的思想,能有效的避免建图过程中环境中移动物体的干扰。并且cartographer支持多传感器数据(Odometry、IMU、LaserScan等)建图,支持2D_SLAM和3D_SLAM建图,成本较低的雷达也能跑出不错的效果。cartographer是google推出的一套基于图优化的SLAM算法,主要目标是实现低计算资源消耗,达到实时SLAM的目的,所以很适合嵌入式端的使用。

该算法主要分为两个部分,第一个部分称为Local SLAM, 该部分通过一帧帧的Laser Scan建立并维护一系列的Submap,而所谓的submap就是一系列的Grid Map。当再有新的Laser Scan中会通过Ceres Scan Matching的方法将其插入到子图中的最佳位置。但是submap会产生误差累积的问题。因此,算法的第二个部分,称为Global SLAM的部分,就是通过Loop Closure来进行闭环检测,来消除累积误差:当一个submap构建完成,也就是不会再有新的laser scan插入到该submap时,算法会将该submap加入到闭环检测中。闭环检测的本质也是一个优化问题,该优化问题被表达成了一个pixel-accurate match的形式,解决优化问题的方法是Branch-and-Bound Approach.

版本

cmake 3.10.2, gcc7.5, g++7.5,  python2.7.17, protoc3.0.0, eigen 3.3.4, lua5.2, cartogrpher1.0.0, cartographer_ros1.0.0, ceres-solver

Cartographer主要理论是通过闭环检测来消除构图过程中产生的累积误差[1]。用于闭环检测的基本单元是submap。一个submap是由一定数量的laser scan构成。将一个laser scan插入其对应的submap时,会基于submap已有的laser scan及其它传感器数据估计其在该submap中的最佳位置。submap的创建在短时间内的误差累积被认为是足够小的。然而随着时间推移,越来越多的submap被创建后,submap间的误差累积则会越来越大。因此需要通过闭环检测适当的优化这些submap的位姿进而消除这些累积误差,这就将问题转化成一个位姿优化问题。当一个submap的构建完成时,也就是不会再有新的laser scan插入到该submap时,该submap就会加入到闭环检测中。闭环检测会考虑所有的已完成创建的submap。当一个新的laser scan加入到地图中时,如果该laser scan的估计位姿与地图中某个submap的某个laser scan的位姿比较接近的话,那么通过某种 scan match策略就会找到该闭环。Cartographer中的scan match策略通过在新加入地图的laser scan的估计位姿附近取一个窗口,进而在该窗口内寻找该laser scan的一个可能的匹配,如果找到了一个足够好的匹配,则会将该匹配的闭环约束加入到位姿优化问题中。Cartographer的重点内容就是融合多传感器数据的局部submap创建以及用于闭环检测的scan match策略的实现。
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