一文聊聊SLAM技术在自动驾驶的应用

定位在自动驾驶中占据着不可替代的地位，而且未来有着可期的发展。目前自动驾驶中的定位都是依赖RTK配合高精地图，这给自动驾驶的落地增加了不少成本与难度。试想一下人类开车，并非需要知道自己的全局高精定位及周围的详细环境，有一条全局导航路径并配合车辆在该路径上的位置，也就足够了，而这里牵涉到的，便是SLAM领域的关键技术。

什么是SLAM

SLAM (Simultaneous Localization and Mapping)，也称为CML (Concurrent Mapping and Localization),即时定位与地图构建，或并发建图与定位。问题可以描述为：将一个机器人放入未知环境中的未知位置，是否有办法让机器人一边逐步描绘出此环境完全的地图，同时一边决定机器人应该往哪个方向行进。例如扫地机器人就是一个很典型的SLAM问题，所谓完全的地图（a consistent map）是指不受障碍行进到房间可进入的每个角落。

SLAM最早由Smith、Self和Cheeseman于1988年提出。由于其重要的理论与应用价值，被很多学者认为是实现真正全自主移动机器人的关键。

模拟人类来到一个陌生的环境时，为了迅速熟悉环境并完成自己的任务（比如找饭馆，找旅馆），这时应当依次做以下事情：

a.用眼睛观察周围地标如建筑、大树、花坛等，并记住他们的特征（特征提取）

b.在自己的脑海中，根据双目获得的信息，把特征地标在三维地图中重建出来（三维重建）

c.当自己在行走时，不断获取新的特征地标，并且校正自己头脑中的地图模型（bundle adjustment or EKF）

d.根据自己前一段时间行走获得的特征地标，确定自己的位置（trajectory）

e.当无意中走了很长一段路的时候，和脑海中的以往地标进行匹配，看一看是否走回了原路（loop-closure detection）。实际这一步可有可无。以上五步是同时进行的，因此是Simultaneous Localization and Mapping。

激光SLAM与视觉SLAM

目前用在SLAM上的传感器主要分两大类，激光雷达和摄像头。激光雷达有单线多线之分，角分辨率及精度也各有千秋。

而VSLAM则主要用摄像头来实现，摄像头品种繁多，主要分为单目、双目、单目结构光、双目结构光、ToF几大类。他们的核心都是获取RGB和depth map(深度信息)。由于受制成本的影响，视觉SLAM在近些年变得越来越流行，通过低成本的摄像头进行实时的建图与定位，这里面的技术难度也是非常之大。以ToF（Time of Flight），一种很有前景的深度获取方法为例。

传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被拍摄景物的距离，以产生深度信息。类似于雷达，或者想象一下蝙蝠，softkinetic的DS325采用的就是ToF方案（TI设计的）。但是它的接收器微观结构比较特殊，有2个或者更多快门，测ps级别的时间差，但它的单位像素尺寸通常在100um的尺寸，所以目前分辨率不高。

在有了深度图之后呢，SLAM算法就开始工作了，由于Sensor和需求的不同，SLAM的呈现形式略有差异。大致可以分为激光SLAM（也分2D和3D）和视觉SLAM（也分Sparse、semiDense、Dense），但其主要思路大同小异。

SLAM算法实现的要素​

SLAM技术非常实用，同时难度也相当大，在时刻需要精确定位的自动驾驶领域，想要完成SLAM落地也是困难重重。一般来说，SLAM算法在实现的时候主要考虑以下4个方面：

1、地图表示问题，比如dense和sparse都是它的不同表达方式，这个需要根据实际场景需求去抉择；

2、信息感知问题，需要考虑如何全面的感知这个环境，RGBD摄像头FOV通常比较小，但激光雷达比较大；

3、数据关联问题，不同的sensor的数据类型、时间戳、坐标系表达方式各有不同，需要统一处理；

4、定位与构图问题，就是指怎么实现位姿估计和建模，这里面涉及到很多数学问题，物理模型建立，状态估计和优化；其他的还有回环检测问题，探索问题（exploration），以及绑架问题（kidnapping）。

目前比较流行的视觉SLAM框架主要包含前端和后端：

前端

前端相当于VO（视觉里程计），研究帧与帧之间变换关系。

首先提取每帧图像特征点，利用相邻帧图像，进行特征点匹配，然后利用RANSAC去除大噪声，然后进行匹配，得到一个pose信息（位置和姿态），同时可以利用IMU（Inertial measurement unit惯性测量单元）提供的姿态信息进行滤波融合后端则主要是对前端出结果进行优化，利用滤波理论（EKF、UKF、PF）、或者优化理论TORO、G2O进行树或者图的优化。最终得到最优的位姿估计。

后端

后端这边难点比较多，涉及到的数学知识也比较多，总的来说大家已经慢慢抛弃传统的滤波理论走向图优化去了。

因为基于滤波的理论，滤波器稳度增长太快，这对于需要频繁求逆的EKF（扩展卡尔曼滤波器），PF压力很大。

而基于图的SLAM，通常以keyframe（关键帧）为基础，建立多个节点和节点之间的相对变换关系，比如仿射变换矩阵，并不断地进行关键节点的维护，保证图的容量，在保证精度的同时，降低了计算量。

SLAM未来在自动驾驶领域的应用

Slam技术目前已经在多个领域都取得了不错的落地效果与成绩，包括室内的移动机器人，AR场景以及无人机等等。而在自动驾驶领域，SLAM技术却一直未得到太多的重视，一方面由于定位在目前的自动驾驶行业中大多通过RTK来解决，并不会投入过多的资源去进行深入的研究，另一方面也是由于目前技术还不成熟，在自动驾驶这种关乎生命的领域，任何一种新技术都得经过时间的检验才能被接受。

在未来，随着传感器精度的逐渐提升，SLAM也会在自动驾驶领域大显身手，其成本的低昂性，性能的鲁棒性，都将为自动驾驶带来革命性的变化。而随着SLAM技术的逐渐火热，也将有越来越多的定位人才涌进自动驾驶领域，为自动驾驶注入新鲜血液，带来新的技术方向与研究领域。