不同3D激光SLAM方案对比分析

一.测试的SLAM方案

本次我共测试了github上开源的8种方案，按照特点可分为

特点	方案
纯Lidar	A-LOAM(港科大版本的LOAM)，hdl_graph_slam，BLAM
Lidar与IMU松耦合	LeGo-LOAM，SC-LeGo-LOAM(在LeGo-LOAM上使用了一种新的回环检测方法)
Lidar与IMU紧耦合	LINS，LIO-SAM，LIOM

说明

上述方案中除了hdl_graph_slam和BLAM外，其余方案都是基于LOAM或LeGo-LOAM

在实验中，hdl_graph_slam和BLAM在所有数据集上的性能均不理想，因而下面不再讨论。而SC-LeGo-LOAM的性能较之LeGo-LOAM也没有明显改善，因而下面也不再讨论。

原生Demo

在第二部分的实验结果展示中，为了方便比较，不同方案得到的结果形式都进行了统一化，但实际上各种方案在执行时的视觉效果是不同的，这里展示了利用各种方案的原生配置所得到的demo，日后可根据需要配置成下面的任意一种效果：

二.实验

实验共使用了5段在伟清楼附近采集的数据：

数据段名称	采集时间	传感器配置	路程	备注
museum_out	2020.7.25	10Hz Lidar+ 100Hz IMU	639m	无
museum_in	2020.7.25	10Hz Lidar+ 100Hz IMU	226m	回环
outdoor3	2020.7.27	10Hz Lidar+ 400Hz IMU	481m	回环
outdoor4	2020.7.27	10Hz Lidar+ 400Hz IMU	562m	回环
aggresive	2020.7.27	10Hz Lidar+ 400Hz IMU	138m	回环，剧烈运动

说明

两日的数据：由于在7.25采集的两段数据中没有明显看出加入IMU的优势，于是在7.27我将IMU频率调高至LINS，LIOM和LIO-SAM所采用的400Hz后又采集了三段数据。

IMU的校正：在每次采集数据前，我都将IMU的z轴与重力加速度重新对齐，方法是利用手机软件（如：水平仪，AIDA64等）测量，寻找到一个较好的水平面，将实验设备置于其上，利用Mtmanager对IMU进行Alignment Reset，实现z轴的重置。

IMU初值：IMU紧耦合算法中需要提供IMU的初始零偏（bias）和噪声方差，而每段数据在开始时的一段时间内实验设备都是静止的，因而我利用这段时间内（约5s）的IMU测量值进行了零偏和噪声的估计。需要注意的是，由于IMU是粘贴在Lidar外壳上的，而Lidar在扫描时会引起外壳周期性的振动，这也反映在了IMU的测量值中，如下图：

x轴和y轴的加速度ax，ay和角速度wx,wy有明显的周期性，周期为雷达的扫描周期。而经过进一步的DFT分析，可以发现ax，ay，wx，wy，wz在10Hz和40Hz的频谱分量最高，说明雷达振动的基波和4次谐波影响较大。为了去除振动影响，我暂时采取了时域拟合的方法，利用基波和4次谐波的组合来拟合测量信号，使得总误差最小，然后将拟合出的振动信号从测量信号中减去，将所得信号的均值和方差作为IMU的零偏和噪声方差。

1. museum_out

采集路线：从艺术博物馆停车场出发，环绕外围一周后来到伟清楼旁空地。

定位结果：

 

建图结果：

结论：

从定位结果上看，各种算法在x，y的估计上比较接近，分歧主要在高度z的估计上。根据实际情况，起点和终点的高度差并不是很大，LIO-SAM和LeGo-LOAM在这点上性能较好，其余方案则略有不足。

从建图结果上看，各算法的建图效果相当，只是LINS和LeGo-LOAM的地图稍微稀疏一些。

2. museum_in

采集路线：从艺术博物馆水池出发，在内场游走后回到原点：

定位结果：

 

建图结果：

结论：

从定位结果看，LIOM与其他方法有较大偏移，但轨迹的形状却是相似的，这是由于LIOM对IMU和Lidar外参进行了校正，使得坐标系有所偏移。ALOAM和LIOM很好地闭合了回环，但LIO-SAM，LINS和LeGo-LOAM的性能也还不错，也接近闭合。

从建图结果上看，各算法的建图效果相当，只是LINS和LeGo-LOAM的地图稍微稀疏一些。

3. outdoor3

采集路线：从伟清楼出发，环绕附近建筑一周后返回原点：

定位结果：

 

建图结果：

结论：

从定位结果来看，IMU紧耦合且存在回环检测的LIO-SAM成功地闭合了回环，其他方案都发生了明显漂移，其中，LeGo-LOAM在z方向产生了相当离谱的估计，这是由于点云中地面点较少，不能很好地约束住z方向,而使用了IMU紧耦合的另外两种LINS,LIOM较之ALOAM漂移较少，证明高频IMU起到了一定的约束作用。

从建图结果来看，LIO-SAM由于闭合了回环，建立了全局一致的地图。而其他方案建立的地图中则可以看出明显的漂移，例如图中左下角显示了起点处地图的侧视图，可以看到除LIO-SAM外，其他方案的地图都出现明显的分层现象，这就是z方向漂移的结果。

4. outdoor4

采集路线：从伟清楼出发，与outdoor3方向相反地环绕附近建筑一周后返回原点：

定位结果：

 

建图结果：

结论：

从定位结果来看，只有LIO-SAM很好地闭合了回环。LeGo-LOAM再次发生了退化，估计效果不佳，而LINS和LIOM在z方向产生了明显漂移，ALOAM在y和z方向都产生了明显漂移，说明IMU还是起到了一定的约束作用。

从建图结果来看，LIO-SAM得到了全局一致的地图，而其他方法由于漂移建图效果不太理想，例如图中的左下部分显示了起点处地图的俯视图，可以看到除LIO-SAM外都存在分层现象，这是z方向漂移的结果，而ALOAM和LeGo-LOAM还可以看出明显的平行相似结构（如柱子和右侧墙壁），这是y方向漂移的结果。

5. aggressive

采集路线：从伟清楼出发，在伟清楼，英士楼和刘卿楼围城的空地上行走，途中伴随有跑步后骤停，猛烈转弯等剧烈动作，最终回到原点：

定位结果：

 

建图结果：

结论：

从定位结果来看，LIO-SAM和LIOM很好地闭合了回环。LINS在z方向产生了明显漂移，ALOAM在y和z方向都产生了明显漂移，LeGo-LOAM则索性崩溃，这说明IMU还是起到了一定的约束作用。

从建图结果来看，采用了IMU紧耦合的三种方案LIO-SAM和LIOM和LINS得到的地图看起来都还不错，很难看出漂移或失真痕迹，而ALOAM和LeGo-LOAM的结果就相当糟糕了！

三.总结

各种方案的优缺点如下：

 

方案	优点	不足
ALOAM	1. 在几何特征丰富时比较稳定	1. 后期内存会出现爆炸，计算效率下降 2. 在几何特征较少时会产生明显漂移
LeGo-LOAM	1. 在地面点丰富时比较稳定 2. 轻量级	1. 在地面点缺乏时很容易崩溃 2. 得到的地图比较稀疏
LINS	1. 轻量级	1. z方向漂移明显 2. 得到的地图比较稀疏 3. 目前的版本要求Lidar与IMU体坐标系的xy平面平行，不接受自己提供的外參
LIO-SAM	1. 存在回环检测，能较好地闭合回环 2. 稳定性强 3. Demo看起来比较舒服	1. 在几何特征丰富的情况下可能不如ALOAM
LIOM	1. 存在重力加速度的校正和IMU初始状态估计	1. 稳定性不好，有时性能好，有时又不行，可能与其初始化环节的性能有关 2. 内存占用大，时间性能较差

 

在进行IMU校正后，融合高频IMU确实能够提升SLAM性能，尤其是在几何特征缺乏或者剧烈运动的情况下。

LIO-SAM在定位和建图方面做的都不错，比较建议使用。

编辑：黄飞