泡泡机器人原创专栏-Cartographer】Cartographer理论及实现浅析

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本文概述了Cartographer的理论及简要的梳理了其开源实现代码的逻辑，目的在于起到抛砖引玉的作用，为选择性的研究相关理论及实现提供参考。

1.     Cartographer理论概述

Cartographer主要理论是通过闭环检测来消除构图过程中产生的累积误差^[1]。用于闭环检测的基本单元是submap。一个submap是由一定数量的laser scan构成。将一个laser scan插入其对应的submap时，会基于submap已有的laser scan及其它传感器数据估计其在该submap中的最佳位置。submap的创建在短时间内的误差累积被认为是足够小的。然而随着时间推移，越来越多的submap被创建后，submap间的误差累积则会越来越大。因此需要通过闭环检测适当的优化这些submap的位姿进而消除这些累积误差，这就将问题转化成一个位姿优化问题。当一个submap的构建完成时，也就是不会再有新的laser scan插入到该submap时，该submap就会加入到闭环检测中。闭环检测会考虑所有的已完成创建的submap。当一个新的laser scan加入到地图中时，如果该laser scan的估计位姿与地图中某个submap的某个laser scan的位姿比较接近的话，那么通过某种 scan match策略就会找到该闭环。Cartographer中的scan match策略通过在新加入地图的laser scan的估计位姿附近取一个窗口，进而在该窗口内寻找该laser scan的一个可能的匹配，如果找到了一个足够好的匹配，则会将该匹配的闭环约束加入到位姿优化问题中。Cartographer的重点内容就是融合多传感器数据的局部submap创建以及用于闭环检测的scan match策略的实现。

 

2.     开源代码逻辑

Google开源的代码包含两个部分：cartographer^[2]和cartographer_ros^[3]。cartographer主要负责处理来自雷达、IMU和里程计的数据并基于这些数据进行地图的构建，是cartographer理论的底层实现。cartographer_ros则基于ros的通信机制获取传感器的数据并将它们转换成cartographer中定义的格式传递给cartographer处理，与此同时也将cartographer的处理结果发布用于显示或保存，是基于cartographer的上层应用。

 

3.     cartographer代码结构

common：定义了基本数据结构以及一些工具的使用接口。

sensor：定义了雷达数据及点云等相关的数据结构。

transform：定义了位姿的数据结构及其相关的转换。

kalman_filter: 主要通过kalman滤波器完成对IMU、里程计及基于雷达数据的估计位姿的融合，进而估计新进的laser scan的位姿。

mapping：定义了上层应用的调用接口以及局部submap构建和基于闭环检测的位姿优化等的接口。

mapping_2d和mapping_3d：对mapping接口的不同实现。

 

4.     mapping_2d代码逻辑

4.1 cartographer::mapping_2d:: GlobalTrajectoryBuilder

cartographer::mapping_2d::GlobalTrajectoryBuilder类主要实现了接收处理上层应用传递的传感器数据的主要接口：

（1）      AddImuData用于接收处理上层应用传递的IMU数据。

（2）      AddOdometerPose用于接收处理上层应用传递的里程计数据。

（3）      AddHorizontalLaserFan用于接收处理上层应用传递的雷达数据。

其中包含重要的对象成员：

（1）      artographer::mapping_2d::LocalTrajectoryBuilder类的对象local_trajectory_builder_用于完成局部submap的构建。

（2）      cartographer::mapping_2d::SparsePoseGraph类的对象sparse_pose_graph_用于完成闭环检测及全局位姿优化。

在AddImuData和AddOdometerPose函数的实现中会将接收的相应传感器数据传递给local_trajectory_builder_对象处理。在AddHorizontalLaserFan函数的实现中则将新进的laser fan传递给local_trajector_builder_对象用于局部submap构建，如果该laser fan被成功插入到某个submap，那么该laser fan被插入后的相关信息则被传递给sparse_pose_graph_对象用于基于闭环检测的全局位姿优化。

 

4.2 cartographer::mapping_2d::LocalTrajectoryBuilder

cartographer::mapping_2d::LocalTrajectoryBuilder类主要完成局部submap的构建。其提供了接收处理传感器数据的public函数：

（1）      AddImuData用于处理IMU数据。

（2）      AddOdometerPose用于处理里程计数据。

（3）      AddHorizontalLaserFan用于处理雷达数据。

以及包含了一些重要的private成员：

（1）      ScanMatch成员函数基于submap已有的laser fan估计当前laser fan在submap中的位置。

（2）      cartographer::kalman_filter::PoseTracker类的对象
pose_tracker_用于融合基于雷达数据的laser fan的局部估计位姿、IMU数据以及里程计数据，进而估计出较优的laser fan的位姿。

在AddImuData和AddOdometerPose函数中会将IMU数据和里程计数据传递给pose_tracker_进行处理。pose_tracker通过UKF不断融合IMU和里程计数据进而更新当前位姿，因此通过pose_tracker可以获取当前laser fan的估计位姿的一个较好的初始化值。进一步的，在AddHorizontalLaserFan函数中会调用ScanMatch，ScanMatch函数中通过在submap中局部匹配得到的当前laser fan的估计位姿被pose_tracker_用来调整该laser fan的初始化值。这样pose_tracker_通过融合多传感器数据，进而能够估计出较优的laser fan的位姿。

 

4.3  cartographer::mapping_2d::SparsePoseGraph

cartographer::mapping_2d::SparsePoseGraph类主要完成基于闭环检测的全局位姿优化。其提供了接收处理新进被插入到submap的laser fan相关信息的public函数：

（1）      AddScan 对新进的laser fan进行闭环检测及在适当的时候进行全局优化。

以及一些重要的私有成员：

（1）      ComputeConstraintsForScan对新近laser fan信息进行处理并启动闭环检测scan match以及计算其约束，进而将约束添加到位姿优化目标中。

（2）      AddWorkItem将laser fan与ComputeConstraintsForScan绑定，并将任务加入到队列中。

（3）      HandleScanQueue依此调度队列中的任务。

（4）      sparse_pose_graph::ConstraintBuilder constraint_builder_ 用于完成laser fan的scan match以及约束计算。

（5）      RunOptimization优化目标。

在AddScan函数中会将laser fan相关信息与ComputeConstraintsForScan函数绑定，并将绑定好的任务通过AddWorkItem函数加入到队列中。HandleScanQueue函数则依次调度队列中的任务。第一次调用AddWorkItem时会直接启动ComputeConstraintsForScan任务，且在第一次ComputeConstraintsForScan任务时启动HandleScanQueue调度。在ComputeConstrainsScan中，通过constraint_builder_对象完成闭环检测的scan match以及约束计算。当所有约束计算完成时，则会进行RunOptimization优化目标。

 

4.4  Scan
Match

LocalTrajectoryBuilder中的scan match策略与SparsePoseGraph中的scan match策略是不同的。前者使用scan_matching::RealTimeCorrelativeScanMatcher，后者则使用scan_matching::FastCorrelativeScanMatcher。二者的目标优化均是由scan_matching::CeresScanMatcher完成。

5.     总结

要将Cartographer的原理及实现详细地讲解清楚并不是短短两千字能完成的。为此，本文概述了Cartographer的理论及简要的梳理了cartographer源码的逻辑，目的在于起到抛砖引玉的作用，进而有利于选择性的研究相关理论及实现。Cartographer的重点内容是融合多传感器数据的局部submap创建以及用于闭环检测的scan match策略。重点内容对应的实现是：1）基于UKF的多传感器数据融合对应cartographer/kalman_filter目录下的文件；2）scan match策略对应cartographer/mapping_2d/scan_matching目录下的文件。后续有机会也会对这些重点内容及实现进行详细地梳理。

 

Reference:

[1] Wolfgang Hess., Damon Kohler., Holger
Rapp., Daniel. Andor. Real-time loop closure in 2D lidar slam. ICRA, 2016.

[2]
https://github.com/googlecartographer/cartographer

[3] https://github.com/googlecartographer/cartographer_ros

【作者博客】http://remyspot.blog.51cto.com/