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随着我国各行业的不断发展,现代社会对生产效率提高的需要和人们对智能生活方式的向往,移动机器人技术得到了发展,并广泛应用与生产和生活。移动机器人的控制需要计算机控制系统、传感器、定位系统、路径跟踪规划,从20世纪80年代概率理论的广泛应用开始,SLAM的发展也进入了快车道。
SLAM(Simultaneous Localization and Mapping) 指机器人在未知的环境、未知的位置中,一边移动一边利用自身携带的传感器测绘出该环境的完整地图,并确定自己所处的位置。由于SLAM的重要学术价值和应用价值,一直以来都被认为是实现全自主移动机器人的关键技术。
激光SLAM和视觉SLAM的区别
目前,SLAM技术被广泛运用于机器人、无人机、无人驾驶、AR、VR等领域,依靠传感器可实现机器的自主定位、建图、路径规划等功能。按传感器来分,SLAM主要分为激光SLAM和VSLAM两大类。其中,激光SLAM比VSLAM起步早,在理论、技术和产品落地上都相对成熟。基于视觉的SLAM方案目前主要有两种实现路径,一种是基于RGBD的深度摄像机,比如Kinect;还有一种就是基于单目、双目或者鱼眼摄像头的。VSLAM目前尚处于进一步研发和应用场景拓展、产品逐渐落地阶段。
类型 | 激光SLAM | 视觉SLAM |
技术发展 | 早在2005年的时候,激光SLAM就已经被研究的比较透彻,框架也已初步确定。激光SLAM,是目前最稳定、最主流的定位导航方法。 | 视觉SLAM目前尚处于进一步研发和应用场景拓展、产品逐渐落地阶段,成熟的应用案例并不多。 |
使用环境 | 激光SLAM主要应用于室内环境,部分室外场景。 | 视觉SLAM可以在室内外开展活动,但是对光的依赖程度高,在暗处或者在一些无纹理区域无法进行工作。 |
地图精度 | 激光SLAM构建的地图精度高,不存在累计误差,且能直接用于定位导航。 | 视觉SLAM构建的地图精度较低,存在一定的累计误差,且不能直接应用于定位导航。 |
传感器成本
激光雷达事实上有许多档次,成本都高于视觉传感器。最昂贵如Velodyne的室外远距离多线雷达动辄数十万元人民币,而室外使用的高端中远距离平面雷达如SICK和Hokuyo大约在数万元人民币的等级。室内应用较广的中低端近距离平面激光雷达也需要千元级,其价格相当于比较高端的工业级摄像头和感光芯片。激光雷达量产后成本可能会大幅下降,但能否降到同档次摄像头的水平仍有一个大大的问号。
02
技术问题
传感器安装和稳定性
目前常见的激光雷达都是旋转扫描式的,内部长期处于旋转中的机械结构会给系统带来不稳定性,在颠簸震动时影响尤其明显。而摄像头不包含运动机械结构,对空间要求更低,可以在更多的场景下安装使用。不过,固态激光雷达的逐步成熟可能会为激光SLAM扳回这项劣势。
累计误差问题
激光SLAM总体来讲较为缺乏回环检测的能力,累计误差的消除较为困难。而视觉SLAM使用了大量冗余的纹理信息,回环检测较为容易,即使在前端累计一定误差的情况下仍能通过回环修正将误差消除。
定位和地图的构建精度
在静态且简单的环境中,激光SLAM定位总体来讲优于视觉SLAM;但在较大尺度且动态的环境中,视觉SLAM因为其具有的纹理信息,表现出更好的效果。在地图构建上,激光SLAM的特点是单点和单次测量都更精确,但地图信息量更小;视觉SLAM特别是通过三角测距计算距离的方法,在单点和单次测量精度上表现总体来讲不如激光雷达,但可以通过重复观测反复提高精度,同时拥有更丰富的地图信息。
03
应用场景
在应用场景上,激光SLAM依据所使用的激光雷达的档次基本被分为室内应用和室外应用,而视觉SLAM在室内外都有丰富的应用环境。视觉SLAM的主要问题是光照变化,例如在室外正午和夜间的跨时间定位与地图构建,其工作稳定性不如高端室外多线激光雷达。近年来,光照模型修正和基于深度学习的高鲁棒性特征点被广泛应用于视觉SLAM的研究中,体现出良好的效果,视觉SLAM会随着这些技术的进步将会在光照变化的环境中拥有更稳定的表现。
激光SLAM不擅长动态环境中的定位,比如有大量人员遮挡其测量的环境,也不擅长在类似的几何环境中工作,比如在一个又长又直、两侧是墙壁的环境。由于重定位能力较差,激光SLAM在追踪丢失后很难重新回到工作状态。而视觉SLAM在无纹理环境(比如面对整洁的白墙面),以及光照特别弱的环境中,表现较差。
三、
未来的发展前景
SLAM技术不仅仅是MR平台的核心算法,由於其强大和实用的运用能力,使其变得太重要导致各个大厂都想拥有。国内外顶尖公司纷纷开展部署自己的SLAM产品。
在AR运用方面,Google将SLAM技术运用在其增强现实项目Tango,配合其独特的移动设备和SDK可以方便的在应用中使用AR技术,以及苹果的ARKit , Facebook的Oculus和华为的AR Engine。
大疆公司为主的无人机和机器人公司将SLAM运用在其消费级产品上面,为无人机和机器人提供实时的3D环境信息用於导航避障。
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