激光雷達(dá)里程計(jì)的最 新進(jìn)展和挑戰(zhàn)

激光雷達(dá)可根據(jù)其不同的成像結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理進(jìn)行分類(lèi)，激光雷達(dá)的成像機(jī)制可分為三大類(lèi)：機(jī)械激光雷達(dá)、掃描固態(tài)激光雷達(dá)和非掃描結(jié)構(gòu)的激光雷達(dá)。關(guān)于測(cè)量原理，主要類(lèi)型包括脈沖飛行時(shí)間（ToF）、調(diào)幅連續(xù)波（AMCW）和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)。此外激光雷達(dá)還可根據(jù)探測(cè)距離、視場(chǎng)（FOV）和波長(zhǎng)等屬性進(jìn)一步細(xì)分。

僅使用激光雷達(dá)的里程計(jì)

僅使用激光雷達(dá)里程計(jì)是通過(guò)分析連續(xù)的激光雷達(dá)掃描幀來(lái)確定機(jī)器人的位置。純激光雷達(dá)測(cè)距可分為三種類(lèi)型：(1) 直接匹配；(2) 基于特征的匹配；(3) 基于深度學(xué)習(xí)的匹配。

激光雷達(dá)-慣性里程計(jì)

僅使用激光雷達(dá)進(jìn)行李恒基計(jì)算效率高，無(wú)需額外的傳感器。然而，它無(wú)法完全解決現(xiàn)實(shí)中的一些挑戰(zhàn)場(chǎng)景。因此，最近的激光雷達(dá)里程測(cè)量通常將激光雷達(dá)與慣性測(cè)量單元（IMU）集成在一起。IMU可提供角速度和線(xiàn)性加速度測(cè)量值，因此適合估算粗略的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，并在與LiDAR配合使用時(shí)提高姿態(tài)估算精度。根據(jù) LiDAR 和 IMU 數(shù)據(jù)的融合方式，LiDAR 慣性里程測(cè)量可分為兩類(lèi)：(1) 松散耦合和 (2) 緊密耦合。

松耦合方法獨(dú)立估計(jì)每個(gè)傳感器的狀態(tài)，將這些狀態(tài)與權(quán)重相結(jié)合，然后確定機(jī)器人的狀態(tài)。這種方法具有很高的靈活性，因?yàn)樗梢詥为?dú)估計(jì)每個(gè)傳感器的狀態(tài)。只要為新的傳感器模式創(chuàng)建一個(gè)合適的里程測(cè)量模塊，就能輕松適應(yīng)傳感器系統(tǒng)的變化，而無(wú)需對(duì)現(xiàn)有框架進(jìn)行大量修改。此外，它還允許為特定傳感器分配權(quán)重，確保在一個(gè)傳感器表現(xiàn)不佳時(shí)的穩(wěn)健性，因?yàn)槔锍虦y(cè)量仍可利用其他傳感器的數(shù)據(jù)。另一方面，緊耦合方法利用所有傳感器的測(cè)量結(jié)果來(lái)估算機(jī)器人的狀態(tài)。與松耦合方法相比，這種方法在里程估算過(guò)程中納入了更多的約束條件，因此可能會(huì)獲得更精 確的里程估算結(jié)果。不過(guò)，這種方法的計(jì)算負(fù)荷較高，因?yàn)樗杏^(guān)測(cè)數(shù)據(jù)都必須一并處理。此外，如果某個(gè)傳感器提供的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳，這種方法可能更容易失去魯棒性。

多個(gè)激光雷達(dá)

激光雷達(dá)-慣性里程計(jì)展現(xiàn)了令人印象深刻的精度。然而某些激光雷達(dá)系統(tǒng)有限的視場(chǎng)（FOV）給狀態(tài)估計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，阻礙了進(jìn)一步的發(fā)展。此外其他傳感器的干擾也會(huì)遮擋激光雷達(dá)視場(chǎng)內(nèi)的區(qū)域。在某些掃描固態(tài)激光雷達(dá)中觀(guān)察到的不規(guī)則掃描模式也會(huì)因稀疏性而對(duì)實(shí)現(xiàn)精 確掃描配準(zhǔn)帶來(lái)挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)與單個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)相關(guān)的挑戰(zhàn)，研究人員越來(lái)越多地探索在里程計(jì)中使用多個(gè)激光雷達(dá)。多個(gè)激光雷達(dá)可提供更廣泛的掃描覆蓋范圍，減少額外傳感器的干擾，整合多個(gè)激光雷達(dá)的不同掃描幀模式可提高掃描記錄的準(zhǔn)確性，從而超越對(duì)單一激光雷達(dá)非重復(fù)掃描模式的依賴(lài)。

與其他傳感器的融合

與視覺(jué)傳感器不同，激光雷達(dá)對(duì)光照條件的變化具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力；不過(guò)，它在苛刻的環(huán)境中也面臨著挑戰(zhàn)。具體來(lái)說(shuō)，激光雷達(dá)里程計(jì)在雨、雪和灰塵等不利條件下難以獲得精 確的測(cè)量結(jié)果。此外在幾何特征有限或地形屬性重復(fù)的區(qū)域，如長(zhǎng)隧道或高速公路，激光雷達(dá)測(cè)量也很脆弱。這種易損性帶來(lái)了掃描幀匹配方面的挑戰(zhàn)，對(duì)狀態(tài)估計(jì)的精度產(chǎn)生了負(fù)面影響。要解決這些制約因素，就需要探索多種傳感器模式的融合

挑戰(zhàn)

不可否認(rèn)，激光雷達(dá)里程計(jì)技術(shù)在為移動(dòng)機(jī)器人和自動(dòng)駕駛車(chē)輛提供高質(zhì)量位置方面取得了重大進(jìn)展，其性能在各種真實(shí)環(huán)境中得到了驗(yàn)證。然而，盡管取得了這些重大進(jìn)展，尚未解決的問(wèn)題仍有進(jìn)一步研究的價(jià)值。

大場(chǎng)景數(shù)據(jù)：激光雷達(dá)系統(tǒng)可生成大量三維點(diǎn)云，其中包含豐富的環(huán)境和物體數(shù)據(jù)。它在捕捉周?chē)h(huán)境的三維信息方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但其大小也存在問(wèn)題。這種點(diǎn)云的大小與激光雷達(dá)的視場(chǎng)角和分辨率成比例。例如，OS1-128 激光雷達(dá)可以產(chǎn)生包含大量點(diǎn)的掃描，在最 高頻率為 20Hz 的情況下，每幀可掃描 10 萬(wàn)個(gè)點(diǎn)。此外，點(diǎn)云中的每個(gè)點(diǎn)都包含范圍、強(qiáng)度、反射率、環(huán)境條件和點(diǎn)采集時(shí)間等信息，從而增加了數(shù)據(jù)量。對(duì)如此大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理需要強(qiáng)大的計(jì)算能力，這對(duì)機(jī)器人技術(shù)提出了特別的挑戰(zhàn)，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性能對(duì)有效操作至關(guān)重要。

運(yùn)動(dòng)畸變：當(dāng)機(jī)器人以相對(duì)于傳感器數(shù)據(jù)采集頻率的高速移動(dòng)時(shí)，單次激光雷達(dá)掃描開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的數(shù)據(jù)采集位置之間會(huì)出現(xiàn)很大的空間差距。這種空間差距有可能導(dǎo)致激光雷達(dá)掃描出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。因此為了有效利用激光雷達(dá)掃描，有必要采用補(bǔ)償程序來(lái)減輕運(yùn)動(dòng)造成的失真，這通常被稱(chēng)為去畸變。去畸變通常采用高頻傳感器，如 IMU ，將點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)單幀。線(xiàn)性插值可以解決其離散性以及傳感器測(cè)量值與實(shí)際位置不匹配的問(wèn)題。在沒(méi)有額外傳感器的情況下，采用恒定速度模型可能就足夠了，但在激進(jìn)運(yùn)動(dòng)或不確定的速度估計(jì)方面缺乏準(zhǔn)確性。連續(xù)時(shí)間插值法 是一種替代方法，它通過(guò) B 樣條插值法確定連續(xù)軌跡，確保每個(gè)激光雷達(dá)點(diǎn)的精 確變換。然而，這種方法大大增加了計(jì)算需求，尤其是在點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，因?yàn)槊總€(gè)點(diǎn)都需要單獨(dú)的狀態(tài)計(jì)算。因此，平衡精度和效率至關(guān)重要，具體選擇取決于應(yīng)用的具體需求和限制。

有限傳感視角：激光雷達(dá)雖然能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量，但也存在固有的局限性。一個(gè)突出的缺點(diǎn)是其視場(chǎng)角相對(duì)較窄，這對(duì)于執(zhí)行感知任務(wù)尤其成問(wèn)題。此外盡管激光雷達(dá)的水平視場(chǎng)通常較寬，但其數(shù)據(jù)往往比標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)拍攝的圖像更為稀疏。近來(lái)，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）技術(shù)的進(jìn)步使密集陣列中大量激光器的布置變得緊湊。盡管這一進(jìn)步使得傳感器的通道增加，數(shù)據(jù)更密集，但分辨率仍然低于傳統(tǒng)相機(jī)。此外，在使用機(jī)械激光雷達(dá)時(shí)，通常會(huì)將其安裝在開(kāi)放區(qū)域，如機(jī)器人或自動(dòng)駕駛車(chē)輛的頂部，以實(shí)現(xiàn) 360 度可視。然而，這給保護(hù)傳感器免受外部沖擊帶來(lái)了挑戰(zhàn)。如果試圖將傳感器安裝在更隱蔽的位置，就會(huì)損失視場(chǎng)能見(jiàn)度，得不償失。

異構(gòu)激光雷達(dá)

激光雷達(dá)傳感器分為兩類(lèi)的問(wèn)題：機(jī)械式激光雷達(dá)和掃描式固態(tài)激光雷達(dá)。這兩類(lèi)激光雷達(dá)具有不同的特點(diǎn)，包括視角、掃描模式等方面的差異。因此這些差異本質(zhì)上導(dǎo)致需要不同的里程測(cè)量算法。此外即使是同一類(lèi)激光雷達(dá)，不同的制造商和產(chǎn)品線(xiàn)在視場(chǎng)角、分辨率和其他因素上也存在差異。這意味著對(duì)一種類(lèi)型有效的算法在應(yīng)用于另一種類(lèi)型時(shí)，可能需要對(duì)其他參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。由于認(rèn)識(shí)到根據(jù)特定傳感器修改方法帶來(lái)的不便，人們?cè)絹?lái)越需要一種能夠在所有類(lèi)型激光雷達(dá)中穩(wěn)健運(yùn)行的算法。

退化環(huán)境

傳統(tǒng)的激光雷達(dá)里程計(jì)主要依賴(lài)于幾何測(cè)量，忽略了紋理和顏色信息的使用。在隧道和長(zhǎng)走廊等地物稀少、重復(fù)性高的環(huán)境中，這種依賴(lài)性就變得具有挑戰(zhàn)性。雖然激光雷達(dá)能在這些環(huán)境中有效地進(jìn)行掃描，但由于缺乏獨(dú)特的特征，往往會(huì)導(dǎo)致掃描匹配的模糊性，從而造成機(jī)器人姿態(tài)估計(jì)的潛在誤差。

惡化環(huán)境

與退化環(huán)境不同，惡化環(huán)境會(huì)對(duì)激光雷達(dá)的傳感能力造成挑戰(zhàn)。激光雷達(dá)的工作原理是發(fā)射激光脈沖，并在與物體相互作用后檢測(cè)其返回，而這一過(guò)程可能會(huì)受到阻礙脈沖路徑的有害顆粒的干擾。陽(yáng)光直射、雨、雪或霧等極端天氣條件會(huì)大大降低激光雷達(dá)的探測(cè)性能。

多模態(tài)傳感器

在將其他傳感器與激光雷達(dá)集成時(shí)，必須認(rèn)識(shí)到這些附加傳感器會(huì)帶來(lái)自身的一系列挑戰(zhàn)。此外多種傳感器的組合還會(huì)帶來(lái)新的限制和復(fù)雜性。

校準(zhǔn)： 在使用多個(gè)傳感器時(shí)，必須對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行內(nèi)參校準(zhǔn)，并在傳感器之間進(jìn)行外在校準(zhǔn)。然而，必須注意的是，盡管有校準(zhǔn)工具和方法，但校準(zhǔn)過(guò)程可能非常具有挑戰(zhàn)性和復(fù)雜性。每個(gè)傳感器的精 確內(nèi)參校準(zhǔn)和多個(gè)傳感器之間的精 確外參校準(zhǔn)都存在困難，包括處理各種誤差源、考慮環(huán)境因素和管理復(fù)雜的數(shù)學(xué)變換。

安裝： 在沒(méi)有事先規(guī)劃的情況下，簡(jiǎn)單地增加傳感器可能不會(huì)影響雷達(dá)探測(cè)性能。在使用多個(gè)激光雷達(dá)的情況下，進(jìn)行定位以補(bǔ)充掃描區(qū)域有可能提高精度。但是，過(guò)度重疊可能會(huì)導(dǎo)致冗余，引入不必要的數(shù)據(jù)并增加計(jì)算成本，從而有可能影響精度的提高。因此仔細(xì)考慮最 佳部署策略至關(guān)重要。

同步： 整合不同的傳感器模式需要解決非同步問(wèn)題，因?yàn)槊總€(gè)傳感器都以不同的頻率提供數(shù)據(jù)。雖然有些研究利用 IMU 將離散時(shí)間或連續(xù)時(shí)間中的異構(gòu)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)巧妙地融合在一起，但有關(guān)各種傳感器模式融合的研究相對(duì)有限。探索利用不同傳感器模式能力的綜合方法具有巨大潛力。

對(duì)于純激光雷達(dá)里程計(jì)，選定的方法有 LOAM、LeGO-LOAM、KISS-ICP、CT-ICP和 DLO。在激光雷達(dá)-慣性里程測(cè)量中，我們的重點(diǎn)是 LIO-SAM、FAST-LIO2、VoxelMap、DLIO和 Point-LIO

對(duì)于低運(yùn)算量，特別是使用低功耗單板計(jì)算機(jī)的情況，在定義明確的環(huán)境中，僅使用激光雷達(dá)的方法可能是最 佳選擇。以松散耦合的方式集成 IMU 可以在不顯著增加計(jì)算需求的情況下提高結(jié)果。對(duì)于在各種環(huán)境中要求高精度的應(yīng)用，建議采用緊密耦合的多傳感器方法。在一般情況下，將激光雷達(dá)與 IMU 結(jié)合使用是一種平衡的選擇。利用多個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)可能有利于解決視場(chǎng)角窄的問(wèn)題。在紋理受限的情況下，結(jié)合使用照相機(jī)會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。