SLAM技术研究现状

SLAM技術(shù)發(fā)展至今已有30多年的歷史，之前的大部分時(shí)間都是在按部就班的發(fā)展。在國(guó)內(nèi)研究SLAM技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室及企業(yè)更是少之又少。除了當(dāng)時(shí)市場(chǎng)需求較少外，入門難度也是另一大問(wèn)題。但隨著機(jī)器人、無(wú)人駕駛、AR/VR等領(lǐng)域的興起，SLAM技術(shù)迎來(lái)了發(fā)展的春天。

SLAM技術(shù)是機(jī)器人及其他智能體實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)的關(guān)鍵，可幫助解決機(jī)器人在未知環(huán)境運(yùn)動(dòng)時(shí)的定位和地圖構(gòu)建問(wèn)題，隨著SLAM技術(shù)重要性的凸顯及應(yīng)用市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，目前，已有越來(lái)越多企業(yè)開(kāi)始投入到SLAM技術(shù)研發(fā)中。

現(xiàn)下主流SLAM技術(shù)

按照不同的傳感器來(lái)劃分，SLAM技術(shù)目前可分為兩種，一種是基于激光雷達(dá)的激光SLAM技術(shù)，另一種是基于視覺(jué)傳感器的視覺(jué)SLAM技術(shù)。

激光SLAM

激光SLAM一般采用單線或多線激光雷達(dá)，單線激光雷達(dá)主要用于服務(wù)機(jī)器人上，如日常生活中我們常見(jiàn)的家庭掃地機(jī)器人及商用場(chǎng)景中的各類服務(wù)型機(jī)器人，而多線激光雷達(dá)則多用于無(wú)人駕駛領(lǐng)域。

激光雷達(dá)的出現(xiàn)使得測(cè)量更快更準(zhǔn)，信息也更為豐富，激光雷達(dá)采集到的物體信息會(huì)呈現(xiàn)出一系列分散的、具有準(zhǔn)確角度和距離信息的點(diǎn)，被稱為點(diǎn)云。通常，激光SLAM通過(guò)對(duì)不用時(shí)刻兩片點(diǎn)云的匹配與比對(duì)，計(jì)算激光雷達(dá)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離和姿態(tài)的改變，也就完成了機(jī)器人自身的定位。

視覺(jué)SLAM

視覺(jué)SLAM主要是采用深度攝像機(jī)，基于單目、雙目、魚眼相機(jī)的視覺(jué)SLAM方案，利用多幀圖像來(lái)估計(jì)自身的位姿變化，再通過(guò)累計(jì)位姿變化來(lái)計(jì)算物體的距離，并進(jìn)行定位與地圖構(gòu)建。

視覺(jué)SLAM可以從環(huán)境中獲取海量的、富于冗余的紋理信息，擁有超強(qiáng)的場(chǎng)景辨識(shí)能力。早期的視覺(jué)SLAM基于濾波理論，其非線性的誤差模型和巨大的計(jì)算量成了它實(shí)用落地的障礙。近年來(lái)，隨著具有稀疏性的非線性優(yōu)化理論(Bundle Adjustment)以及相機(jī)技術(shù)、計(jì)算性能的進(jìn)步，實(shí)時(shí)運(yùn)行的視覺(jué)SLAM已不再是夢(mèng)。

激光SLAM與視覺(jué)SLAM技術(shù)較量

對(duì)于激光SLAM與視覺(jué)SLAM技術(shù)誰(shuí)更勝一籌業(yè)內(nèi)存在很多爭(zhēng)議，以下將從簡(jiǎn)單的幾個(gè)方面來(lái)對(duì)比激光SLAM與視覺(jué)SLAM。

從成本上來(lái)說(shuō)，業(yè)內(nèi)人士大多認(rèn)為激光雷達(dá)的價(jià)格相對(duì)比較高，尤其是國(guó)外的Velodyne，Sick，北洋等激光雷達(dá)產(chǎn)品，價(jià)格在幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)不等。但目前隨著我國(guó)激光雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)已有低成本激光雷達(dá)解決方案，尤其是機(jī)器人身上的激光雷達(dá)。視覺(jué)SLAM所采用的攝像頭成本要比激光雷達(dá)低很多，雖在成本上占有優(yōu)勢(shì)，但激光雷達(dá)能更高精度的測(cè)出障礙點(diǎn)的角度和距離，方便定位導(dǎo)航。

從應(yīng)用場(chǎng)景上來(lái)說(shuō)，視覺(jué)SLAM的應(yīng)用場(chǎng)景要豐富很多。視覺(jué)SLAM在室內(nèi)外環(huán)境下均能開(kāi)展工作，但是對(duì)光的依賴程度高，在暗處或者一些無(wú)紋理區(qū)域是無(wú)法進(jìn)行工作的。而激光SLAM目前主要被應(yīng)用在室內(nèi)，用來(lái)進(jìn)行地圖構(gòu)建和導(dǎo)航工作。

從地圖精度上來(lái)說(shuō)，激光SLAM在構(gòu)建地圖的時(shí)候，精度較高，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)所研發(fā)的激光雷達(dá)，構(gòu)建的地圖精度可達(dá)到2cm左右；視覺(jué)SLAM，比如常見(jiàn)的，大家也用的非常多的深度攝像機(jī)Kinect，（測(cè)距范圍在3-12m之間），地圖構(gòu)建精度約3cm；所以激光SLAM構(gòu)建的地圖精度一般來(lái)說(shuō)比視覺(jué)SLAM高，且能直接用于定位導(dǎo)航。

從易用性上來(lái)說(shuō)，激光SLAM和基于深度相機(jī)的視覺(jué)SLAM均是通過(guò)直接獲取環(huán)境中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，測(cè)算哪里有障礙物以及障礙物的距離。但是基于單目、雙目、魚眼攝像機(jī)的視覺(jué)SLAM方案，則不能直接獲得環(huán)境中的點(diǎn)云，而是形成灰色或彩色圖像，需要通過(guò)不斷移動(dòng)自身的位置，通過(guò)提取、匹配特征點(diǎn)，利用三角測(cè)距的方法測(cè)算出障礙物的距離。

從安裝方式來(lái)看，雷達(dá)最先開(kāi)始應(yīng)用于軍事行業(yè)，后來(lái)逐漸民用。被大家廣泛知曉最先應(yīng)該是從谷歌的無(wú)人車上所知道的。當(dāng)時(shí)Velodyne雷達(dá)體積、重量都較大，應(yīng)用到一些實(shí)際場(chǎng)景中顯然不適合。比如無(wú)人機(jī)、AR、VR這種，本身體積就很小，再搭載大體積的激光雷達(dá)的話，根本無(wú)法使用，也影響美感和性能。所以視覺(jué)SLAM的出現(xiàn)，利用攝像頭測(cè)距，彌補(bǔ)了激光雷達(dá)的這一缺點(diǎn)，安裝方式可以隨著場(chǎng)景的不同實(shí)現(xiàn)多元化。

總體來(lái)說(shuō)，激光SLAM及視覺(jué)SLAM各有優(yōu)缺點(diǎn)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，兩者融合將是大勢(shì)所趨，但就目前而言，激光SLAM技術(shù)相對(duì)更為成熟，落地應(yīng)用也更為豐富。

國(guó)內(nèi)企業(yè)SLAM技術(shù)研究現(xiàn)狀

由于SLAM技術(shù)在機(jī)器人、無(wú)人駕駛及AR/VR等領(lǐng)域的重要性，國(guó)內(nèi)已有越來(lái)越多企業(yè)投入到SLAM技術(shù)的研發(fā)中，有部分作為自用而研發(fā)的機(jī)器人企業(yè)，也不乏一些專注機(jī)器人自主定位導(dǎo)航技術(shù)的企業(yè)。思嵐科技就是其中一家，作為機(jī)器人定位導(dǎo)航技術(shù)的領(lǐng)先企業(yè)，思嵐科技主要以激光SLAM取勝。

其推出的SLAM 3.0技術(shù)采用了圖優(yōu)化的方式進(jìn)行構(gòu)圖，能實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)平米級(jí)別的實(shí)時(shí)地圖構(gòu)建能力，同時(shí)擁有主動(dòng)式回環(huán)閉合糾正能力，能很好的消除長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致的里程累計(jì)誤差。

思嵐科技的SLAM 3.0 采用SharpEdge精細(xì)化構(gòu)圖技術(shù)，可構(gòu)建高精度、厘米級(jí)別地圖，超高分辨率。同時(shí)，構(gòu)建的地圖規(guī)則、精細(xì)，進(jìn)一步提升了定位的精確性。無(wú)需二次優(yōu)化修飾，直接滿足用戶預(yù)期。

相比較粒子濾波每次直接將傳感器數(shù)據(jù)更新進(jìn)入柵格地圖進(jìn)行增量式構(gòu)建的做法，基于圖優(yōu)化的SLAM 3.0 摒棄固定的柵格地圖，存儲(chǔ)地圖構(gòu)建過(guò)程中調(diào)整了圖結(jié)構(gòu)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的pose和對(duì)應(yīng)的傳感器信息以及所有關(guān)鍵點(diǎn)構(gòu)建的位姿關(guān)系圖，利用全部的機(jī)器人位姿信息和對(duì)應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)生成環(huán)境地圖。

當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到已經(jīng)探索過(guò)的原環(huán)境時(shí)，SLAM 3.0可依賴內(nèi)部的拓?fù)鋱D進(jìn)行主動(dòng)式的閉環(huán)檢測(cè)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)了新的閉環(huán)信息后，SLAM 3.0使用Bundle Adjuestment(BA)等算法對(duì)原先的位姿拓?fù)涞貓D進(jìn)行修正（即進(jìn)行圖優(yōu)化），從而能有效的進(jìn)行閉環(huán)后地圖的修正，實(shí)現(xiàn)更加可靠的環(huán)境建圖。即使當(dāng)時(shí)地圖上看誤差較大，SLAM 3.0也可靈活對(duì)已產(chǎn)生的地圖進(jìn)行調(diào)整。

如今，在思嵐科技最新SLAMWARE自主定位導(dǎo)航方案及相應(yīng)的機(jī)器人開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，均采用了SLAM 3.0技術(shù)，使得機(jī)器人能輕松面對(duì)各類復(fù)雜的商用環(huán)境。

思嵐科技是我國(guó)最早將SLAM技術(shù)應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人的企業(yè)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，如今基于思嵐科技機(jī)器人定位導(dǎo)航方案的企業(yè)已不在少數(shù)，業(yè)內(nèi)知名服務(wù)機(jī)器人項(xiàng)目中大多采用了思嵐科技產(chǎn)品。隨著服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)需求的不斷加劇，相信思嵐科技的激光SLAM定位導(dǎo)航方案將會(huì)在更多機(jī)器人中出現(xiàn)。