多傳感器融合SLAM的研究與實現

趙娜靖?楊自恒?王水青?劉群

摘要：在單目與IMU融合的眾多算法中，本文選擇了VINS-Mono算法實現移動物體在密閉空間下的自主定位，該算法是視覺與IMU融合中的經典之作，其定位精度高，有相較于其他融合算法更加魯棒的初始化以及閉環檢測過程，且代碼開源，為驗證VINS-Mono及相關圖像采集處理過程部分的算法在嵌入式設備上的可行性，搭建嵌入式系統實現算法，對運動物體的自主運動、地圖構建等方面進行可行性驗證實驗。測試VINS-Mono算法的可行性及在不同場景下算法應用的適用性。

關鍵詞：SLAM;定位技術;自主導航;建圖

一、前言

近幾年，無人機自主導航、自動駕駛、移動機器人等領域蓬勃發展，智能移動物體的定位問題尤為重要，在基于GPS的定位技術不可用的環境下，SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）技術的發展逐漸興起，其中文譯名為同步定位于地圖構建。SLAM技術的提出是為了解決運動物體的定位與建圖問題，該問題可以具體描述為：在完全未知的環境中，運動物體通過自身配備的環境傳感器在緩慢移動的同時逐步構建環境特征地圖，并根據地圖定位自身所在的位置，在此過程中通過傳感器觀測數據對地圖和定位結果不斷進行修正。現在的SLAM技術已經在無人設備中廣泛使用。SLAM技術在沒有先驗信息的環境中，通過智能移動物體等主體攜帶的激光、相機等傳感器對周圍環境進行測量，在運動過程中同時實現對自身位置的定位（Localization）、以及對周圍環境的建圖（Mapping）。相比于激光SLAM方法，視覺SLAM因視覺傳感器成本低、體積小且易于其他傳感器融合等優點被廣泛使用。隨著該定位技術的逐步發展，相應的對于其應用于嵌入式系統領域的研究也隨之而來。

二、SLAM技術發展現狀

目前，SLAM技術的分為視覺SLAM和激光SLAM兩大類，但是對于一些體積小，靈活性強的智能移動物體來說，比如無人機，搭載這種大體積的激光雷達是無法使用的（激光雷達的數據量大），而且相比于激光雷達來說，視覺SLAM應用場景更為廣泛，并且成本顯然也要低很多。但是純視覺傳感器對于無紋理的區域是沒有辦法工作的，即單目視覺SLAM系統無法恢復尺度的缺點限制了其在移動機器人、無人機等領域的應用。慣性測量單元（IMU）通過內置的陀螺儀和加速度計可以測量角速度和加速度，進而推算相機的姿態，不過推算的姿態存在累計誤差。視覺傳感器和 IMU 存在很大的互補性，因此將二者測量信息進行融合的 VIO 也是一個研究熱點。近幾年來，將低成本、小體積的IMU應用與單目視覺系統成為研究的熱點，多傳感器融合算法逐漸發展。

香港科技大學的沈劭劼團隊于2017年提出了基于滑動窗口非線性優化的位姿估計器（VINS-Mono ）。該系統可以在未知的環境下進行初始化，可以對相機和IMU的外參數進行在線標定，具備回環檢測和重定位模塊，是一套完整的SLAM系統。與其他方案不同VINS-Mono采用4自由度的位姿圖優化和回環檢測。在IMU數據的處理上借鑒了Forster提出的IMU預積分的思想，這與OKVIS有著異曲同工之處。

三、VINS-Mono算法分析

VINS-Mono系統的輸入是一系列的IMU測量值和單目相機圖像幀，通過對IMU數據的預積分，視覺圖像特征的跟蹤實現在線初始化的過程，為后端非線性優化提供良好的初值使其收斂;在后端構建緊耦合代價函數，并多線程實現回環檢測、重定位以及全局位姿圖優化模塊，使系統定位效果更加精確、魯棒。

VINS-Mono算法整體可劃分為四個部分包括數據預處理、初始化、局部BA聯合優化和重定位、回環檢測以及全局位姿圖優化。在數據預處理部分，相機圖像采集到的數據進行特征提取和跟蹤，IMU采集到的數據進行預積分，兩部分數據整合進行單純的視覺初始化以及視覺和慣性聯合初始化，數據在進行初始化之后送至后端基于滑動窗口的BA優化模型中，最后進行整體的回環檢測以及對全局的位姿進行優化。在樹莓派上搭建編譯環境，其中包括安裝ubuntu操作系統、ROS、OpenCV、矩陣運算庫、非線性優化庫等，編譯成功后，在終端下運行功能包，成功在可視化軟件rviz中顯示了數據集中demo的運行軌跡。

四、結語

對于SLAM定位導航技術來說，搭建的平臺具有計算資源和搭載量有限性以及環境不確定性，這就要求實現SLAM的算法具有更高的計算效率和魯棒性。同時，如何通過算法改進以及硬件設計來節省硬件成本以滿足無人機體積小、重量輕的要求也是未來的一個研究方向。同時，在實際應用中很多理想條件往往無法滿足，所以一個完美的SLAM系統需要能夠處理各種各樣的復雜情況，才能很好地滿足實際定位導航的要求。

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作者簡介：

趙娜靖（1997.），女，陜西咸陽人，哈爾濱市南崗區黑龍江大學， 電子與通信工程專業2019級，? 碩士研究生，? 研究方向：電子與通信工程? E-mail：zhaonajing97@163.com