中国机械工程 ›› 2025, Vol. 36 ›› Issue (8): 1824-1831.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.08.017
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张红彦1(), 赵昊阳1, 赵焕峰2, 李念轩1, 孙钦政1, 黄玲涛1(
)
收稿日期:
2024-07-29
出版日期:
2025-08-25
发布日期:
2025-09-18
通讯作者:
黄玲涛
作者简介:
张红彦,女,1973年生,副教授、博士。研究方向为智能移动机器人。E-mail:zhanghy@jlu.edu.cn。
基金资助:
Hongyan ZHANG1(), Haoyang ZHAO1, Huanfeng ZHAO2, Nianxuan LI1, Qinzheng SUN1, Lingtao HUANG1(
)
Received:
2024-07-29
Online:
2025-08-25
Published:
2025-09-18
Contact:
Lingtao HUANG
摘要:
目前多数LiDAR-SLAM系统采用前端里程计估计初始位姿和后端优化位姿的方法,缺少批量的后端优化方案。针对此问题,提出了一个完整的基于显式几何特征的激光雷达同时定位与建图(SLAM)系统。采用凝聚层次聚类方法实现平面特征点云平面分割并通过计算点云的局部曲率值筛选直线特征点;通过配准点云特征和特征子地图实现激光雷达运动的初始位姿估计;采用基于直线和平面基元的局部状态优化方法,基于因子图模型融合了直线因子和平面因子,通过最小化直线到直线和平面到平面的残差,实现了位姿、直线和平面参数的联合批量优化。实验结果表明,所提SLAM系统在其他场景下也能实现较高精度的定位和地图构建,满足SLAM的实时性要求。
中图分类号:
张红彦, 赵昊阳, 赵焕峰, 李念轩, 孙钦政, 黄玲涛. 一种显式几何特征匹配的激光雷达SLAM方法[J]. 中国机械工程, 2025, 36(8): 1824-1831.
Hongyan ZHANG, Haoyang ZHAO, Huanfeng ZHAO, Nianxuan LI, Qinzheng SUN, Lingtao HUANG. An Explicit Geometric Feature Matching LiDAR SLAM Method[J]. China Mechanical Engineering, 2025, 36(8): 1824-1831.
序列名称 | 场景 | 帧数 | 难度 | 时长/s | 长度/m |
---|---|---|---|---|---|
序列1 | 方形庭院 | 1991 | 简单 | 198 | 246.7 |
序列2 | 方形庭院 | 1910 | 中等 | 190 | 260.4 |
序列3 | 环形走廊 | 2788 | 简单 | 190 | 428.8 |
序列4 | 数学研究所 | 2160 | 简单 | 216 | 263.6 |
序列5 | 数学研究所 | 1770 | 中等 | 176 | 176.9 |
序列6 | 地下矿洞 | 1412 | 简单 | 141 | 162.5 |
序列7 | 地下矿洞 | 1487 | 中等 | 148 | 174.1 |
表1 Newer College Dataset 序列信息
Tab.1 Newer college dataset sequence information
序列名称 | 场景 | 帧数 | 难度 | 时长/s | 长度/m |
---|---|---|---|---|---|
序列1 | 方形庭院 | 1991 | 简单 | 198 | 246.7 |
序列2 | 方形庭院 | 1910 | 中等 | 190 | 260.4 |
序列3 | 环形走廊 | 2788 | 简单 | 190 | 428.8 |
序列4 | 数学研究所 | 2160 | 简单 | 216 | 263.6 |
序列5 | 数学研究所 | 1770 | 中等 | 176 | 176.9 |
序列6 | 地下矿洞 | 1412 | 简单 | 141 | 162.5 |
序列7 | 地下矿洞 | 1487 | 中等 | 148 | 174.1 |
方法 | 序列1 | 序列2 | 序列3 | 序列4 | 序列5 | 序列6 | 序列7 | 误差均值 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
A-LOAM | 0.0856 | 0.4034 | 0.2639 | 0.0863 | 0.8257 | 0.1451 | 0.1935 | 0.2862 |
LeGO-LOAM | 0.0929 | 0.5453 | 0.1865 | 0.1303 | 0.4315 | 0.1081 | 0.1311 | 0.2322 |
LL-LO | 0.1139 | 0.3569 | 0.2942 | 0.1522 | 0.3162 | 0.1255 | 0.1629 | 0.2174 |
LP-LO | 0.1068 | 0.3847 | 0.1742 | 0.1182 | 0.2835 | 0.1138 | 0.1497 | 0.1901 |
LPL-LO | 0.0888 | 0.2912 | 0.1224 | 0.0804 | 0.2617 | 0.0919 | 0.1244 | 0.1515 |
LPL-SLAM | 0.0865 | 0.2891 | 0.1027 | 0.0685 | 0.2388 | 0.0683 | 0.0935 | 0.1353 |
表2 绝对轨迹平移误差 (m)
Tab.2 Absolute trajectory translation error
方法 | 序列1 | 序列2 | 序列3 | 序列4 | 序列5 | 序列6 | 序列7 | 误差均值 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
A-LOAM | 0.0856 | 0.4034 | 0.2639 | 0.0863 | 0.8257 | 0.1451 | 0.1935 | 0.2862 |
LeGO-LOAM | 0.0929 | 0.5453 | 0.1865 | 0.1303 | 0.4315 | 0.1081 | 0.1311 | 0.2322 |
LL-LO | 0.1139 | 0.3569 | 0.2942 | 0.1522 | 0.3162 | 0.1255 | 0.1629 | 0.2174 |
LP-LO | 0.1068 | 0.3847 | 0.1742 | 0.1182 | 0.2835 | 0.1138 | 0.1497 | 0.1901 |
LPL-LO | 0.0888 | 0.2912 | 0.1224 | 0.0804 | 0.2617 | 0.0919 | 0.1244 | 0.1515 |
LPL-SLAM | 0.0865 | 0.2891 | 0.1027 | 0.0685 | 0.2388 | 0.0683 | 0.0935 | 0.1353 |
方法 | 序列1 | 序列2 | 序列3 | 序列4 | 序列5 | 序列6 | 序列7 | 平均误差 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
A-LOAM | 1.3262 | 2.1683 | 1.8402 | 0.6375 | 3.9587 | 2.1558 | 2.6240 | 2.1015 |
LeGO-LOAM | 1.3705 | 2.3082 | 1.9917 | 0.8802 | 3.3395 | 2.3710 | 2.3344 | 2.0851 |
LL-LO | 2.1462 | 2.3851 | 2.3518 | 0.9573 | 3.6842 | 2.3568 | 2.5713 | 2.3504 |
LP-LO | 1.7438 | 2.4692 | 2.1566 | 0.8359 | 3.1183 | 2.1366 | 2.1724 | 2.0904 |
LPL-LO | 1.3405 | 2.2011 | 1.6433 | 0.5451 | 2.9053 | 1.9088 | 2.1230 | 1.8096 |
LPL-SLAM | 1.2309 | 2.1816 | 1.5943 | 0.5553 | 2.8719 | 1.9140 | 2.0116 | 1.7656 |
表3 绝对轨迹角度误差 (°)
Tab.3 Absolute trajectory angular error
方法 | 序列1 | 序列2 | 序列3 | 序列4 | 序列5 | 序列6 | 序列7 | 平均误差 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
A-LOAM | 1.3262 | 2.1683 | 1.8402 | 0.6375 | 3.9587 | 2.1558 | 2.6240 | 2.1015 |
LeGO-LOAM | 1.3705 | 2.3082 | 1.9917 | 0.8802 | 3.3395 | 2.3710 | 2.3344 | 2.0851 |
LL-LO | 2.1462 | 2.3851 | 2.3518 | 0.9573 | 3.6842 | 2.3568 | 2.5713 | 2.3504 |
LP-LO | 1.7438 | 2.4692 | 2.1566 | 0.8359 | 3.1183 | 2.1366 | 2.1724 | 2.0904 |
LPL-LO | 1.3405 | 2.2011 | 1.6433 | 0.5451 | 2.9053 | 1.9088 | 2.1230 | 1.8096 |
LPL-SLAM | 1.2309 | 2.1816 | 1.5943 | 0.5553 | 2.8719 | 1.9140 | 2.0116 | 1.7656 |
序列名称 | 场景 | 帧数 | 时长/s | 长度/m |
---|---|---|---|---|
序列1 | 机械馆 | 3422 | 343 | 386.4 |
序列2 | 机械馆 | 2904 | 291 | 321.7 |
序列3 | 体育馆 | 4284 | 429 | 606.4 |
表4 自制数据集序列信息
Tab.4 Scene diagram of a custom dataset
序列名称 | 场景 | 帧数 | 时长/s | 长度/m |
---|---|---|---|---|
序列1 | 机械馆 | 3422 | 343 | 386.4 |
序列2 | 机械馆 | 2904 | 291 | 321.7 |
序列3 | 体育馆 | 4284 | 429 | 606.4 |
序列名称 | A-LOAM | LeGO-LOAM | LPL-LO | LPL-SLAM |
---|---|---|---|---|
序列1 | 0.131 m/2.146° | 0.245 m/2.436° | 0.104 m/1.708° | 0.075 m/1.485° |
序列2 | 0.096 m/2.348° | 0.075 m/2.341° | 0.091 m/1.522° | 0.062 m/1.379° |
序列3 | 17.43 m/5.269° | 0.535 m/2.571° | 0.205 m/2.675° | 0.121 m/1.841° |
表5 相对平移/角度误差
Tab.5 Relative translation/rotation error
序列名称 | A-LOAM | LeGO-LOAM | LPL-LO | LPL-SLAM |
---|---|---|---|---|
序列1 | 0.131 m/2.146° | 0.245 m/2.436° | 0.104 m/1.708° | 0.075 m/1.485° |
序列2 | 0.096 m/2.348° | 0.075 m/2.341° | 0.091 m/1.522° | 0.062 m/1.379° |
序列3 | 17.43 m/5.269° | 0.535 m/2.571° | 0.205 m/2.675° | 0.121 m/1.841° |
序列名称 | 特征提取 | 位姿优化 | 局部优化 | 全局优化 |
---|---|---|---|---|
LPL-SLAM/Newer College Dataset 序列 1 | 24.07 | 20.67 | 19.44 | 88.53 |
LPL-SLAM/校园数据集 序列 1 | 17.51 | 14.97 | 26.02 | 109.6 |
表6 各模块运行时间 (ms)
Tab.6 Runtime of each module
序列名称 | 特征提取 | 位姿优化 | 局部优化 | 全局优化 |
---|---|---|---|---|
LPL-SLAM/Newer College Dataset 序列 1 | 24.07 | 20.67 | 19.44 | 88.53 |
LPL-SLAM/校园数据集 序列 1 | 17.51 | 14.97 | 26.02 | 109.6 |
序列名称 | 局部优化 |
---|---|
LPL-SLAM/Newer CollegeDataset 序列1 | 19.44 |
LPL-SLAM/校园数据集 序列1 | 26.02 |
A-LOAM/Newer College Dataset 序列1 | 10.27 |
A-LOAM/校园数据集 序列1 | 11.98 |
表7 局部优化运行时间 (ms)
Tab.7 Local optimization runtime
序列名称 | 局部优化 |
---|---|
LPL-SLAM/Newer CollegeDataset 序列1 | 19.44 |
LPL-SLAM/校园数据集 序列1 | 26.02 |
A-LOAM/Newer College Dataset 序列1 | 10.27 |
A-LOAM/校园数据集 序列1 | 11.98 |
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