地纹SLAM技术概述

一、引言

1.1 地纹SLAM的应用领域

地纹SLAM一般用于激光不良且有地面纹理的场景，比如硬化混凝土/金刚砂l/水洗石头等地面的。举例如下：

1. 有大面积平库的结构件车间

• 在此类场景中，由于平库面积较大且不具备反光棒安装条件，激光雷达无法观察到有效的环境轮廓。
• 地纹SLAM利用地面的纹理信息，能够稳定输出机器人位姿，无需在地面铺设二维码。

2. 分期扩产能的总装车间

• 主机厂的总装车间在分期建设过程中，存在大面积空地，导致激光雷达不能观测到环境轮廓。
• 地纹SLAM利用地面的纹理信息，解决了总装车间的空地及总装线大动态等问题。若环境要求限制不允许使用色带或磁导航，地纹SLAM是可靠的选择。

3. 柔性装配线

• 柔性装配线通常具有大动态变化和近距离遮挡，比如移动的装配工人、料箱、车队中其他AGV等，近距离的动态遮挡对激光雷达视野干扰极大，使激光SLAM难以稳定工作。
• 传统方法是磁导航技术，而地纹SLAM基于自然导航技术，无需在地面安装引导装置，更加柔性且稳定。

4. 停车场

• 停车场环境通常较为开阔且存在大型移动物体，不利于激光SLAM。
• 地纹SLAM配套的地纹模组可有效屏蔽环境光，能够工作在低矮的室内停车场，也可以工f作在户外停车场。

简单来说，地纹SLAM是向下看、激光SLAM是向周围看、天花板SLAM是向上看，它们是互补关系。根据应用场景，可以使用其中一项，或者结合来用。Detour的紧耦合算法能够融合多个里程计，输出可信的机器人位姿。

1.2 预期读者

如果您从未使用过Detour，请阅读MDCS概述。在阅读本文前，我们希望您对以下主题有一定了解：

• Detour功能及其激光SLAM技术。

通过阅读本文档，我们预期您将了解：

• 理解地纹SLAM技术的原理和应用优势。
• 掌握地纹SLAM技术在各种场景中的实际应用方法。
• 评估地纹SLAM技术对现有激光SLAM系统的补充作用。

二、地纹SLAM技术概述

2.1 工作原理

地纹SLAM（Ground Texture SLAM）是一种基于地面纹理信息，实现机器人在未知环境中定位和地图构建的技术。其工作原理可以概括为以下几个步骤：

1. 图像采集：地纹SLAM首先利用高清工业相机捕捉地面纹理，输出连续的视频流。这些图像包含了地面纹理的详细信息，是后续定位和建图的基础。
2. 纹理特征提取：地纹SLAM对采集到的图像进行预处理，计算纹理特征。它们在地纹SLAM中作为关键帧的计算依据，用于后续的位姿估计和地图构建。
3. 里程计计算：地纹SLAM的前端里程计部分负责计算相邻纹理图像之间的位移。通过这些位移信息，可以推算出机器人在环境中的位姿变化，即机器人的位置和方向。
4. 回环检测与位姿优化：地纹SLAM的后端部分包含回环检测机制。当机器人回到之前已经访问过的区域时，后端会搜索机器人的位姿附近的关键帧，并锁定配准分数最高的关键帧。这个过程用于获得更精确的位姿估计，并用于修正地纹里程计可能产生的累积误差。

2.2 与激光SLAM的差异和优势

地纹SLAM与激光SLAM在计算架构上相似，都由前端里程计和后端回环检测组成。然而，它们在以下几个方面存在显著差异和各自的优势：

1. 算力需求：
   • 地纹SLAM：由于地面纹理的信息量远高于激光点云，地纹SLAM在提取特征和进行图像处理时需要更多的计算资源。Detour的专利地纹算法通过使用GPU加速计算，使得地纹SLAM能够在算力配置相对较低的嵌入式工控机上高效运行（相当于Nvidia 1030或Intel UHD730级别）。
   • 激光SLAM：通常对算力的需求较低，因为激光雷达产生的点云数据相对较少。
2. 地面需求：
   • 地纹SLAM：适用于具有不重复纹理的地面，如金刚砂或混凝土地面。对于无纹理的环氧地面或具有重复小纹理的瓷砖地面，地纹SLAM无法有效工作。
   • 激光SLAM：对环境材质的要求较低，可以在多种类型的表面上进行定位和建图。
3. 环境需求：
   • 地纹SLAM：不依赖于机器人周围的环境特征，适用于大动态和空旷场景。专利地纹模组设计能够有效屏蔽环境光，抑制地面反射，从而提高定位的准确性。
   • 激光SLAM：在具有稳定几何特征的环境中表现最佳，但在空旷或缺乏特征的区域内可能精度不佳或失效。

地纹SLAM应用注意事项：

1. 地面平整性：地纹SLAM使用定焦相机，因此要求行驶路面应平整，避免突出物体损坏地纹模组或使底盘偏侧，导致相机对焦模糊甚至撞坏地纹模组。
2. 鲁棒性：地纹SLAM具有良好的鲁棒性，能够应对地面污渍、破损等干扰。然而，地面不能有大面积的纹理改变，如重新铺设，这会影响地纹SLAM的定位精度。
3. 工作环境：车载工控机应具备良好的冷却措施，以防止过热降频，从而确保地纹SLAM的算力需求得到满足。

三、应用地纹SLAM技术

3.1 技术特点

地纹SLAM作为一种基于地面纹理信息的定位和建图技术，具有以下技术特点：

1. 输出位置和角度的精度：
   •  地纹SLAM通过分析相邻图像帧之间的纹理特征位移来计算机器人的位姿，因此能够实现高达1mm的位置精度。
   • 角度分辨率方面，地纹SLAM受限于相机视野。一般来说，看得越远，角分辨率精度越好。与激光SLAM相比，地纹SLAM的角分辨率较低，因为它观测到的地面图像尺寸不过十几公分，而激光的观测距离一般20米起。
2. 建图方法：
   •  对于同时配置激光雷达和地纹模组的车型，通常采用先激光SLAM建图，后地纹SLAM建图的方法。利用激光SLAM的高角分辨率特性，修正地纹地图的角度累积误差，从而获得高精度的地图。
   • 对于仅配置地纹模组的车型，一般采用地面标线，通过遥控机器人巡线建图。这种方法操作较为繁琐，因此我们开发专门的建图车来提高纯地纹SLAM的建图效率。
3. 轨迹跟踪：
   • 地纹模组的相机视野决定了地纹SLAM的定位范围。可简单比喻为：地纹建图时，在地面画了一条看不见的线，定位时通过观测这条线（上的关键帧）来实现定位。
   • 相机视野相当于线宽，一般为150mm。当机器人发生脱轨（如打滑）时，会因观测不到线而（地纹）脱轨。
   • 在纯地纹SLAM实施时，为了提高定位的鲁棒性，可以建立3条平行的线，提高定位鲁棒性。搭配了激光雷达、地纹模组和IMU的建图车通过自动建图实现这种地纹轨迹，从而提高建图效率。

3.2 地纹SLAM的配套硬件

3.2.1 地纹模组

图 3-1 地纹模组

地纹模组集成了4K工业相机和专利补光装置。可有效屏蔽环境光和地面反射对相机造成的干扰，使地纹SLAM能够工作在强光照和精细打磨路面上。

3.2.2 车载工控机

图 3-2 车载工控机

车载工控机集成了IO扩展模块和风冷装置，搭载集成Iris架构核显的Intel处理器，以及高速内存，为地纹算法提供充足算力前提下还解决DI/DO集成问题。无需用于扩展IO的PLC模组，提高了集成度，减少了车内空间占用。

3.2.3 建图车

图 3-3 建图车

建图车配置单线激光雷达、地纹模组和IMU，可在复杂环境下构建地纹地图。车体小巧，便于运输到施工现场开展工作。

3.3 定位精度和鲁棒性

地纹SLAM的位置精度为1mm。角度精度与回环有关，在使用地纹地图的定位场景下，角分辨率为0.1度；在建图场景下，角分辨率因累积误差而较大，会造成地图歪斜，因此需要激光SLAM或地面标线来修正。

4.1 某主机厂总装车间SPS物流

这是初代地纹项目，潜伏式牵引AGV和潜伏式举升AGV配置3D激光雷达和地纹相机，车载工控机配置Nvida 1030显卡，负责内饰和天窗的SPS配送。该项目实施中遇到的问题分为设计和工程两大类，归纳如下。

4.1.1 地纹模组

地纹相机的设计问题，后用地纹模组解决：

• 多车地纹相机补光一致性人工调整工作量大且收敛慢。
• 多车地纹相机清晰度。人工调整定焦相机焦距，然后胶水固定，一致性差，且不利于维护。
• 补光灯寿命短。属于设计/装配问题。
• 相机视野不良。部分相机能看到车体，其反光干扰纹理图像。属于设计/装配问题。
• 相机画面撕裂。相机与工控机的网络通路带宽不稳定，与装配和选型都有关。
• 相机曝光参数不良导致增益不足。导致快速运动时脱轨，需要人工调节曝光参数。
• 相机掉线卡帧。属于设计/装配问题，行驶过程中抗震性差。

地纹模组通过提高集成化程度解决散件组装带来的装配一致性、抗震、标定等问题。

4.1.2 车载工控机

加装1030显卡的嵌入式工控机在实施时遇到以下问题，后地纹用工控机重新选型，算法升级使用Intel集成显卡以消除加装显卡带来的抗震、功耗的问题。

• 工控机操作系统不纯净。内置的一些服务消耗内存和算力，随机干扰算力。定型后的工控机使用一个镜像安装。

4.1.3 车体设计与厂内调试

• 无减震措施导致工控机与相机故障。驱动轮、从动轮与底盘刚性连接，经过地缝产生的震动传递到工控机和地纹相机，运行一段时间后震松板卡和螺丝。底盘设计应考虑减震，至少工控机与地纹模组与底盘的固定应使用尼龙块等减震材质。
• AGV直线度不一致。过弯时轨迹不一致，某些车出现地纹脱轨。工程现场通过建立平行线地纹轨迹应对。
• AGV毛刷挂垃圾干扰地纹相机。在车头布设的毛刷本意是清除地面垃圾，使含由金属碎屑的垃圾不会卷到相机或地充头（导致短路）下，实际情况是毛刷挂着垃圾产生更严重问题，后将毛刷移动到车尾。
• 驱动轮卡螺丝。装配场景下地面有螺丝掉落，卡在驱动轮导致底盘倾侧，进而改变相机视野而脱轨。这种现象也发生在地面不平之处，比如拱起的伸缩地缝、地充凸起地面等。
• 驱动轮安装偏差。与直线度相似，内/外八字驱动轮导致行驶轨迹扭曲，引起地纹脱轨。属于厂内制造/调试质量问题。
• 车体带载变形。车体带载变形后改变地纹相机视野变化，导致标定失效。根据变形归因分为两类：一是驱动轮弹簧力调节错误，使驱动轮和从动轮在空载/带载时触地不同（即空载时跷跷板，带载时所有轮子触地）；二是底盘设计错误，强度不够，带载时车体变形。

4.1.4 建图车

建图车解决工程技术方面的问题：

• 降低平行线地纹轨迹的建图复杂度。
• 利用IMU解决空旷区域激光SLAM不良问题（相当于纯地纹建图，IMU提供精确的角度）。