SLAM英文全稱是 Simultaneous Localization and Mapping，意為即時(shí)定位與地圖構(gòu)建。

SLAM最早由Smith、Self和Cheeseman于1988年提出，至今已有30余年的發(fā)展歷史。

相較于深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)等熱門詞匯，聽過(guò)SLAM的人少之又少，是因?yàn)閲?guó)內(nèi)從事相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)更是屈指可數(shù)。直至2015年左右，SLAM才逐漸成為國(guó)內(nèi)機(jī)器人和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的熱門研究方向，在當(dāng)前較為熱門的領(lǐng)域嶄露頭角。

本文僅對(duì)沒有接觸過(guò)SLAM的新人進(jìn)行的科普。

近年來(lái)，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到快速發(fā)展。人們致力于把移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用于各種場(chǎng)景中，從室內(nèi)外搬運(yùn)機(jī)器人，到服務(wù)型機(jī)器人，再到工業(yè)機(jī)器人等，移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)用都得到了巨大突破。

在移動(dòng)機(jī)器人研究中一個(gè)最關(guān)鍵的技術(shù)就是即時(shí)定位和建圖，也就是所謂的SLAM技術(shù)。SLAM它試圖解決這樣的問(wèn)題：一個(gè)機(jī)器人在未知的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，如何通過(guò)對(duì)環(huán)境的觀測(cè)確定自身的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)構(gòu)建出環(huán)境的地圖。

SLAM技術(shù)正是為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)涉及到的諸多技術(shù)的總和。由于其重要的理論與應(yīng)用價(jià)值，被很多學(xué)者認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)真正全自主移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵。

SLAM系統(tǒng)一般分為五個(gè)模塊：傳感器數(shù)據(jù)、視覺里程計(jì)、后端、建圖及回環(huán)檢測(cè)。

傳感器數(shù)據(jù)：主要用于采集實(shí)際環(huán)境中的各類型原始數(shù)據(jù)。包括激光掃描數(shù)據(jù)、視頻圖像數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)等。

視覺里程計(jì)：主要用于不同時(shí)刻間移動(dòng)目標(biāo)相對(duì)位置的估算。包括特征匹配、直接配準(zhǔn)等算法的應(yīng)用。

后端：主要用于優(yōu)化視覺里程計(jì)帶來(lái)的累計(jì)誤差。包括濾波器、圖優(yōu)化等算法應(yīng)用。

建圖：用于三維地圖構(gòu)建。

回環(huán)檢測(cè)：主要用于空間累積誤差消除

其工作流程大致為：

傳感器讀取數(shù)據(jù)后，視覺里程計(jì)估計(jì)兩個(gè)時(shí)刻的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（Ego-motion），后端處理視覺里程計(jì)估計(jì)結(jié)果的累積誤差，建圖則根據(jù)前端與后端得到的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)建立地圖，回環(huán)檢測(cè)考慮了同一場(chǎng)景不同時(shí)刻的圖像，提供了空間上約束來(lái)消除累積誤差。

目前，SLAM（即時(shí)定位與地圖構(gòu)建）技術(shù)主要被運(yùn)用于無(wú)人機(jī)、無(wú)人駕駛、機(jī)器人、AR、智能家居等領(lǐng)域。

按照核心的功能模塊來(lái)區(qū)分，目前常見的移動(dòng)機(jī)器人SLAM系統(tǒng)一般具有兩種形式：基于激光雷達(dá)的SLAM(激光SLAM)和基于視覺的SLAM(Visual SLAM或VSLAM)。

激光SLAM脫胎于早期的基于測(cè)距的定位方法(如超聲和紅外單點(diǎn)測(cè)距)。激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging)的出現(xiàn)和普及使得測(cè)量更快更準(zhǔn)，信息更豐富。

激光雷達(dá)采集到的物體信息呈現(xiàn)出一系列分散的、具有準(zhǔn)確角度和距離信息的點(diǎn)，被稱為點(diǎn)云。通常，激光SLAM系統(tǒng)通過(guò)對(duì)不同時(shí)刻兩片點(diǎn)云的匹配與比對(duì)，計(jì)算激光雷達(dá)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離和姿態(tài)的改變，也就完成了對(duì)機(jī)器人自身的定位。

激光雷達(dá)距離測(cè)量比較準(zhǔn)確，誤差模型簡(jiǎn)單，在強(qiáng)光直射以外的環(huán)境中運(yùn)行穩(wěn)定，點(diǎn)云的處理也比較容易。同時(shí)，點(diǎn)云信息本身包含直接的幾何關(guān)系，使得機(jī)器人的路徑規(guī)劃和導(dǎo)航變得直觀。激光SLAM理論研究也相對(duì)成熟，落地產(chǎn)品更豐富。

視覺SLAM主要通過(guò)攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。攝像頭品類繁多，主要分為單目、雙目、單目結(jié)構(gòu)光、雙目結(jié)構(gòu)光、ToF幾大類?；谏疃葦z像機(jī)的 V-SLAM，跟激光 SLAM 類似，通過(guò)收集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能直接計(jì)算障礙物距離；基于單目、魚眼相機(jī)的 V-SLAM 方案，則利用多幀圖像來(lái)估計(jì)自身的位姿變化，再通過(guò)累計(jì)位姿變化來(lái)計(jì)算距離物體的距離，并進(jìn)行定位與地圖構(gòu)建。

激光SLAM與視覺SLAM比較

一直以來(lái)，業(yè)內(nèi)對(duì)激光SLAM與視覺SLAM到底誰(shuí)更勝一籌，誰(shuí)是未來(lái)主流趨勢(shì)都有自己的看法。下面從以下幾個(gè)角度進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)比：

技術(shù)發(fā)展

早在 2005 年的時(shí)候，激光 SLAM 就已經(jīng)被研究的比較透徹，框架也已初步確定，激光 SLAM是目前最穩(wěn)定、最主流的定位導(dǎo)航方法；視覺SLAM 目前尚處于進(jìn)一步研發(fā)和應(yīng)用場(chǎng)景拓展、產(chǎn)品逐漸落地階段。

使用環(huán)境

激光SLAM主要應(yīng)用于室內(nèi)；視覺SLAM在室內(nèi)外均能開展工作，但是對(duì)光的依賴度高，在暗處或者一些無(wú)紋理區(qū)域無(wú)法進(jìn)行工作。

地圖精度

兩者相較，激光 SLAM 構(gòu)建的地圖精度高，不存在累計(jì)誤差，且能直接用于定位導(dǎo)航。

通過(guò)對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)，激光SLAM和視覺SLAM各擅勝場(chǎng)。兩者相較，激光 SLAM 構(gòu)建的地圖精度高，不存在累計(jì)誤差，且能直接用于定位導(dǎo)航。

當(dāng)然，激光SLAM也有一定的局限性。比如在又長(zhǎng)又直、兩側(cè)是墻壁的長(zhǎng)廊或是動(dòng)態(tài)變化大的環(huán)境中，單純依靠激光SLAM容易發(fā)生定位丟失的情況。

仙知機(jī)器人作為一家以控制和調(diào)度為核心的高新技術(shù)企業(yè)，在激光SLAM導(dǎo)航的基礎(chǔ)上，融合了激光反光板導(dǎo)航、二維碼導(dǎo)航、慣導(dǎo)、攝像頭等，采用多傳感器融合算法讓移動(dòng)機(jī)器人定位更精確、性能更強(qiáng)大，并具有環(huán)境普適性，能夠應(yīng)對(duì)長(zhǎng)廊、高動(dòng)態(tài)的復(fù)雜環(huán)境及地面坑洞等。

在長(zhǎng)廊、高動(dòng)態(tài)的環(huán)境中，可自由切換至激光反光板導(dǎo)航、二維碼導(dǎo)航，確保定位不會(huì)丟失；在地面環(huán)境相對(duì)較差的情況下，可選配3D相機(jī)對(duì)地面坑洞、立體障礙物等進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)，并根據(jù)參數(shù)配置讓移動(dòng)機(jī)器人選擇停障或繞行。

另外，為保證移動(dòng)機(jī)器人使用安全，仙知機(jī)器人還擁有一系列方法來(lái)確保移動(dòng)機(jī)器人在使用過(guò)程中機(jī)器人、人員和貨物的安全。如雙激光解決方案，通過(guò)雙激光完成移動(dòng)機(jī)器人周圍360°全方位的安全檢測(cè)；在基于SRC的激光SLAM自動(dòng)叉車解決方案中，通過(guò)3D相機(jī)、紅外傳感器、超聲、安全觸邊等進(jìn)行安全防護(hù)，確保自動(dòng)叉車在作業(yè)過(guò)程中人員和貨物的安全。

其實(shí)，要想讓移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的使用場(chǎng)景，激光SLAM與視覺SLAM必將在相互競(jìng)爭(zhēng)和融合中發(fā)展，多傳感器融合導(dǎo)航必然是未來(lái)發(fā)展方向。伴隨移動(dòng)機(jī)器人核心技術(shù)的解決，將替代人工完成簡(jiǎn)單、重復(fù)、勞動(dòng)量大的繁雜工作，真正為人類服務(wù)。