CN110595479B - 一种基于icp算法的slam轨迹评估方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于定位与导航技术领域，尤其涉及一种基于ICP算法的SLAM轨迹评估方法。在定位导航领域，SLAM测量轨迹与真值轨迹的比较对于算法的性能评价有重要的意义，但对于算法的评估没有一个明确的指标。本申请提供一种基于ICP算法的SLAM轨迹评估方法，通过ICP算法求取变换矩阵T和时间偏差δt，进而计算SLAM测量轨迹与真值轨迹的绝对误差，得以评价SLAM算法的性能。本申请弥补了以往的评估方法的缺陷，即使在不同的坐标系下以及时间不对齐的条件下，依然可以对SLAM测量轨迹进行评估，计算SLAM测量轨迹与真实轨迹的绝对误差。本方法适应范围广，测量精度高同时鲁棒性较好，适于在行业内推广应用。
Description
技术领域
本申请涉及定位与导航技术领域，尤其涉及一种基于ICP算法的SLAM轨迹评估方法。
背景技术
在定位导航领域，测量轨迹与真值的比较对于算法的性能评价有重要的意义。在目前比较热门的SLAM研究中，研究者的主要方向在于如何提高算法的精度及鲁棒性，但对于算法的评估并没有给出一个明确的指标。目前，将真值轨迹与SLAM估算的测量轨迹进行比较存在如下若干问题：
一、通常情况下，由于真值和测量值的数据来源和计算平台不同，真值轨迹与测量轨迹存在着一个位姿上和时间上的固定偏差，因而不能够直接比较；
二、现有的一些轨迹评价工具例如Zhang.Z提出的VO/VIO轨迹评估算法可以针对不同尺度的轨迹进行误差分析，但需要在进行轨迹误差分析之前，对数据进行时间偏差标定；
三、真值数据和测量数据通常数据量较大，采集的开始时间和结束时间均存在一定延时，靠手动关联数据计算时间偏差任务繁琐且容易出错。
发明内容
针对目前存在的SLAM轨迹评估工具只有在时间对齐的情况下才能正确评估算法性能的缺陷，本发明的目的是提供一种基于ICP算法的SLAM轨迹评估方法，可以对不同坐标系下以及未进行时间对齐的测量轨迹和真值轨迹进行误差分析。
本申请提供了一种基于ICP算法的SLAM轨迹评估方法，以解决现有技术中无法在不同坐标系下以及未进行时间对齐的条件下进行轨迹算法误差分析和/或轨迹算法不准确的问题。
本申请采用的技术方案如下：
一种基于ICP算法的SLAM轨迹评估方法，包括以下步骤：
获取真值轨迹数据以及SLAM测量轨迹数据；
根据SLAM测量轨迹数据建立全局坐标系Ws，根据真值轨迹数据建立真值轨迹全局坐标系Wg，计算将Ws变换到Wg的变换矩阵T，根据变换矩阵T将SLAM测量轨迹数据变换到Wg下生成SLAM对比数据；
根据真值轨迹数据和SLAM对比数据，计算两种轨迹数据的时间偏差δt；
根据变换矩阵T以及时间偏差δt，将SLAM测量轨迹数据与真值轨迹数据进行坐标系统一和时间对齐，计算轨迹绝对误差
可选的，所述真值轨迹数据以及SLAM测量轨迹数据采用固定的数据格式，且数据格式为(t,x,y,z,qx,qy,qz,qw)，其中：t为传感器的采集时间，x,y,z为轨迹点云的三维位置信息，qx,qy,qz,qw为轨迹姿态的四元数法姿态信息，真值轨迹数据构成的集合为Tg，SLAM测量轨迹数据构成的集合为Ts。
可选的，在所述根据SLAM测量轨迹数据建立全局坐标系Ws，根据真值轨迹数据建立真值轨迹全局坐标系Wg，计算将Ws变换到Wg的变换矩阵T的步骤中，选取部分真值轨迹数据构成点云集G、选取部分SLAM测量轨迹数据构成点云集S，数据格式为(t,x,y,z),ICP算法的误差方程如下：
式中：si为点云集S中第i个点的位置坐标，gi为si在G中关联的点的位置坐标，R为旋转矩阵，t为位移向量，其中R和t共同构成变换矩阵T，L为参与的点对个数。
可选的，在所述根据SLAM测量轨迹数据建立全局坐标系Ws，根据真值轨迹数据建立真值轨迹全局坐标系Wg，计算将Ws变换到Wg的变换矩阵T的步骤中，还包括：
根据ICP算法的误差方程，设置ICP收敛阈值，设置T的初始值，采用迭代法通过多次迭代求解得出变换矩阵T；
根据求解的变换矩阵T将点云集S变换到点云集G所在全局坐标系Wg下，得到新的点集S1，公式如下：
式中：为坐标统一后测量点的位姿信息；
为变换矩阵与位姿向量的乘法；
St为两个点集的时间信息。
可选的，所述根据真值轨迹数据和SLAM对比数据，计算两种轨迹数据的时间偏差δt的步骤中，所述时间偏差δt根据以下公式进行求解：
式中,δt为时间偏差；
为第i个关联点对中的真值位姿的时间，/>为SLAM对比数据的时间；
N为符合条件的点对个数。
可选的，所述根据真值轨迹数据和SLAM对比数据，计算两种轨迹数据的时间偏差δt的步骤中，还包括：
采用K-Dtree算法在点云集G中搜索S1中第i个点的最近邻点gi,构成关联点对
计算关联点对中两点之间的欧式距离，如果距离大于预设经验阈值，则剔除关联点对；
根据时间偏差δt的计算公式，将满足条件的关联点对代入公式，计算时间偏差δt。
可选的，所述绝对轨迹误差包括绝对姿态误差和绝对位置误差，计算公式如下：
其中，和/>分为第i个关联点对中的真值轨迹位置及姿态，/>和/>分为第i个关联点对中的SLAM测量轨迹位置及姿态，/>和/>均用四元数表示，M为轨迹点对数量；
表示减法，在公式/>中表示四元数的减法，在公式/>中表示向量的减法；
Δqi为同一时刻真值轨迹与SLAM测量轨迹之间的姿态误差；
Δpi为同一时刻真值轨迹与SLAM测量轨迹之间的位置误差；
errorrot为绝对姿态误差；
errorpos为绝对位置误差。
可选的，在所述根据变换矩阵T以及时间偏差δt，将SLAM测量轨迹数据与真值轨迹数据进行坐标系统一和时间对齐，计算轨迹绝对误差的步骤中，包括：
将SLAM测量轨迹数据构成的集合为Ts根据变换矩阵T和时间偏差δt与真值轨迹Tg进行坐标系统一和时间对齐，生成SLAM变换数据N，公式如下：
式中：为SLAM测量轨迹中第i个点的位姿信息，
为变换矩阵T与位姿信息向量的乘法，
为SLAM测量轨迹处于真值轨迹全局坐标系Wg的位姿信息，
为与真值对齐的时间，
数据关联：按照时间作为参考标准，从Tg中选取离N中第i个点ni时间最近的点，构成关联点对(gi,ni)，
根据实际需求，按照公式计算绝对姿态误差和绝对位置误差。
采用本申请的技术方案的有益效果如下：
本申请的基于ICP算法的SLAM轨迹评估方法，弥补了以往的评估方法只有在时间对齐的条件下才能进行评估的缺陷，即使在不同的坐标系下以及时间不对齐的条件下，依然可以对SLAM轨迹进行评估，计算SLAM轨迹与真实轨迹的绝对误差。本方法适应范围广，测量精度高同时鲁棒性较好，适于在行业内推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请的实施例的流程框图。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
参见图1，为便于理解下述实施例而绘制的流程框图。
本申请提供的一种基于ICP算法的SLAM轨迹评估方法，包括以下步骤：
S101,获取真值轨迹数据以及SLAM测量轨迹数据；
S102,根据SLAM测量轨迹数据建立全局坐标系Ws，根据真值轨迹数据建立真值轨迹全局坐标系Wg，计算将Ws变换到Wg的变换矩阵T，根据变换矩阵T将SLAM测量轨迹数据变换到Wg下生成SLAM对比数据；
S103,根据真值轨迹数据和SLAM对比数据，计算两种轨迹数据的时间偏差δt；
S104,根据变换矩阵T以及时间偏差δt，将SLAM测量轨迹数据与真值轨迹数据进行坐标系统一和时间对齐，计算轨迹绝对误差
可选的，所述真值轨迹数据以及SLAM测量轨迹数据采用固定的数据格式，且数据格式为(t,x,y,z,qx,qy,qz,qw)，其中：t为传感器的采集时间，x,y,z为轨迹点云的三维位置信息，qx,qy,qz,qw为轨迹姿态的四元数法姿态信息，真值轨迹数据构成的集合为Tg，SLAM测量轨迹数据构成的集合为Ts。
可选的，在所述根据SLAM测量轨迹数据建立全局坐标系Ws，根据真值轨迹数据建立真值轨迹全局坐标系Wg，计算将Ws变换到Wg的变换矩阵T的步骤中，选取部分真值轨迹数据构成点云集G、选取部分SLAM测量轨迹数据构成点云集S，数据格式为(t,x,y,z),ICP算法的误差方程如下：
式中：si为点云集S中第i个点的位置坐标，gi为si在G中关联的点的位置坐标，R为旋转矩阵，t为位移向量，其中R和t共同构成变换矩阵T，L为参与的点对个数。
可选的，在所述根据SLAM测量轨迹数据建立全局坐标系Ws，根据真值轨迹数据建立真值轨迹全局坐标系Wg，计算将Ws变换到Wg的变换矩阵T的步骤中，还包括：
根据ICP算法的误差方程，设置ICP收敛阈值，设置T的初始值，采用迭代法通过多次迭代求解得出变换矩阵T；
根据求解的变换矩阵T将点云集S变换到点云集G所在全局坐标系Wg下，得到新的点集S1，公式如下：
式中：为坐标统一后测量点的位姿信息；
为变换矩阵与位姿向量的乘法；
St为两个点集的时间信息。
可选的，所述根据真值轨迹数据和SLAM对比数据，计算两种轨迹数据的时间偏差δt的步骤中，所述时间偏差δt根据以下公式进行求解：
式中,δt为时间偏差；
为第i个关联点对中的真值位姿的时间，/>为SLAM对比数据的时间；
N为符合条件的点对个数。
可选的，所述根据真值轨迹数据和SLAM对比数据，计算两种轨迹数据的时间偏差δt的步骤中，还包括：
采用K-Dtree算法在点云集G中搜索S1中第i个点的最近邻点gi,构成关联点对
计算关联点对中两点之间的欧式距离，如果距离大于预设经验阈值，则剔除关联点对；
根据时间偏差δt的计算公式，将满足条件的关联点对代入公式，计算时间偏差δt。
可选的，所述绝对轨迹误差包括绝对姿态误差和绝对位置误差，计算公式如下：
其中，和/>分为第i个关联点对中的真值轨迹位置及姿态，/>和/>分为第i个关联点对中的SLAM测量轨迹位置及姿态，/>和/>均用四元数表示，M为轨迹点对数量；
表示减法，在公式/>中表示四元数的减法，在公式/>中表示向量的减法；
Δqi为同一时刻真值轨迹与SLAM测量轨迹之间的姿态误差；
Δpi为同一时刻真值轨迹与SLAM测量轨迹之间的位置误差；
errorrot为绝对姿态误差；
errorpos为绝对位置误差。
可选的，在所述根据变换矩阵T以及时间偏差δt，将SLAM测量轨迹数据与真值轨迹数据进行坐标系统一和时间对齐，计算轨迹绝对误差的步骤中，包括：
将SLAM测量轨迹数据构成的集合为Ts根据变换矩阵T和时间偏差δt与真值轨迹Tg进行坐标系统一和时间对齐，生成SLAM变换数据N，公式如下：
式中：为SLAM测量轨迹中第i个点的位姿信息，
为变换矩阵T与位姿信息向量的乘法，
为SLAM测量轨迹处于真值轨迹全局坐标系Wg的位姿信息，
为与真值对齐的时间，
数据关联：按照时间作为参考标准，从Tg中选取离N中第i个点ni时间最近的点，构成关联点对(gi,ni)，
根据实际需求，按照公式计算绝对姿态误差和绝对位置误差。
本申请的基于ICP算法的SLAM轨迹评估方法，弥补了以往的评估方法只有在时间对齐的条件下才能进行评估的缺陷，即使在不同的坐标系下以及时间不对齐的条件下，依然可以对SLAM轨迹进行评估，计算SLAM轨迹与真实轨迹的绝对误差。本方法适应范围广，测量精度高同时鲁棒性较好，适于在行业内推广应用。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于ICP算法的SLAM轨迹评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取真值轨迹数据以及SLAM测量轨迹数据；
根据SLAM测量轨迹数据建立全局坐标系Ws，根据真值轨迹数据建立真值轨迹全局坐标系Wg，计算将Ws变换到Wg的变换矩阵T，根据变换矩阵T将SLAM测量轨迹数据变换到Wg下生成SLAM对比数据；
根据真值轨迹数据和SLAM对比数据，计算两种轨迹数据的时间偏差δt；
将SLAM测量轨迹数据构成的集合为Ts根据变换矩阵T和时间偏差δt与真值轨迹Tg进行坐标系统一和时间对齐，生成SLAM变换数据N，公式如下：
式中：为SLAM测量轨迹中第i个点的位姿信息，
为变换矩阵T与位姿信息向量的乘法，
为SLAM测量轨迹处于真值轨迹全局坐标系Wg的位姿信息，
为与真值对齐的时间，
数据关联：按照时间作为参考标准，从Tg中选取离N中第i个点ni时间最近的点，构成关联点对(gi,ni)，
根据实际需求，按照公式计算绝对姿态误差和绝对位置误差
所述根据真值轨迹数据和SLAM对比数据，计算两种轨迹数据的时间偏差δt的步骤中，所述时间偏差δt根据以下公式进行求解：
式中,δt为时间偏差；
为第i个关联点对中的真值位姿的时间，/>为SLAM对比数据的时间；
N为符合条件的点对个数；
所述根据真值轨迹数据和SLAM对比数据，计算两种轨迹数据的时间偏差δt的步骤中，还包括：
采用K-Dtree算法在点云集G中搜索S1中第i个点的最近邻点gi,构成关联点对/>
计算关联点对中两点之间的欧式距离，如果距离大于预设经验阈值，则剔除关联点对；
根据时间偏差δt的计算公式，将满足条件的关联点对代入公式，计算时间偏差δt；
在所述根据SLAM测量轨迹数据建立全局坐标系Ws，根据真值轨迹数据建立真值轨迹全局坐标系Wg，计算将Ws变换到Wg的变换矩阵T的步骤中，选取部分真值轨迹数据构成点云集G、选取部分SLAM测量轨迹数据构成点云集S，数据格式为(t,x,y,z),ICP算法的误差方程如下：
式中：si为点云集S中第i个点的位置坐标，gi为si在G中关联的点的位置坐标，R为旋转矩阵，t为位移向量，其中R和t共同构成变换矩阵T，L为参与的点对个数；
在所述根据SLAM测量轨迹数据建立全局坐标系Ws，根据真值轨迹数据建立真值轨迹全局坐标系Wg，计算将Ws变换到Wg的变换矩阵T的步骤中，还包括：
根据ICP算法的误差方程，设置ICP收敛阈值，设置T的初始值，采用迭代法通过多次迭代求解得出变换矩阵T；
根据求解的变换矩阵T将点云集S变换到点云集G所在全局坐标系Wg下，得到新的点集S1，公式如下：
式中：为坐标统一后测量点的位姿信息；
为变换矩阵与位姿向量的乘法；
St为两个点集的时间信息。
2.根据权利要求1所述的基于ICP算法的SLAM轨迹评估方法，其特征在于，所述真值轨迹数据以及SLAM测量轨迹数据采用固定的数据格式，且数据格式为
(t,x,y,z,qx,qy,qz,qw)，其中：t为传感器的采集时间，x,y,z为轨迹点云的三维位置信息，qx,qy,qz,qw为轨迹姿态的四元数法姿态信息，真值轨迹数据构成的集合为Tg，SLAM测量轨迹数据构成的集合为Ts。
3.根据权利要求1所述的基于ICP算法的SLAM轨迹评估方法，其特征在于，所述绝对轨迹误差包括绝对姿态误差和绝对位置误差，计算公式如下：
其中，和/>分为第i个关联点对中的真值轨迹位置及姿态，/>和/>分为第i个关联点对中的SLAM测量轨迹位置及姿态，/>和/>均用四元数表示，M为轨迹点对数量；
表示减法，在公式/>中表示四元数的减法，在公式/>中表示向量的减法；
Δqi为同一时刻真值轨迹与SLAM测量轨迹之间的姿态误差；
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| 基于RGB-D的室内三维SLAM研究与实现;曹龙龑;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;第60-61页 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110595479A (zh) | 2019-12-20 |
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