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app SLAM Map Builder

Cree mapas de cuadrícula 2D utilizando SLAM basado en LiDAR

Descripción

La app SLAM Map Builder carga los escaneos LiDAR grabados y los datos del sensor de odometría para construir una cuadrícula de ocupación 2D utilizando algoritmos de localización y mapeo simultáneos (SLAM). La coincidencia de escaneo incremental alinea y superpone escaneos para construir el mapa. La detección de cierre de bucle se ajusta a la deriva de la odometría del vehículo detectando ubicaciones visitadas previamente y ajustando el mapa general. A veces, el algoritmo de coincidencia de escaneo y la detección de cierre de bucle requieren un ajuste manual. Utilice la app para alinear manualmente los escaneos y modificar los cierres de bucles para mejorar la precisión general del mapa. También puede ajustar la configuración del algoritmo SLAM para mejorar la creación automática de mapas.

Para usar la app:

Import	Para cargar los archivos de registro de rosbag, seleccione Import > Import from rosbag. Seleccione el archivo rosbag y haga clic en Open. Esto abre la pestaña Import. Para obtener más información, consulte Importar y filtrar un rosbag. Para cargar datos desde el área de trabajo, Import > Import from workspace. Seleccione las variables Scans y Poses utilizando los menús desplegables proporcionados. También puede especificar las variables en la función slamMapBuilder. Consulte Uso programático.
SLAM Settings	Utilice SLAM Settings para ajustar la configuración del algoritmo SLAM. Se proporcionan valores predeterminados, pero sus sensores y datos específicos pueden requerir un ajuste de estas configuraciones. El valor más importante a ajustar es el Loop Closure Threshold. Para obtener más información, consulte Ajustar la configuración de SLAM.
Build	Haga clic en Build para comenzar el proceso de creación del mapa SLAM. El proceso de construcción alinea los escaneos en el mapa mediante coincidencias de escaneo incrementales, identifica cierres de bucles al visitar ubicaciones anteriores y ajusta las poses. Haga clic en Pause en cualquier momento durante el proceso de creación del mapa para alinear manualmente los escaneos incrementales o modificar los cierres de bucle.
Incremental Match Loop Closure	Haga clic en Incremental Match para modificar la posición relativa del fotograma seleccionado actualmente y alinear el escaneo con el escaneo anterior. Haga clic en Loop Closure para modificar o ignorar el cierre de bucle detectado para el fotograma actual. Utilice el control deslizante en la parte inferior para retroceder a áreas donde la coincidencia de escaneos o los cierres de bucles no son precisos. Puede modificar cualquier número de escaneos o cierres de bucle. Para obtener más información, consulte Modificar escaneos de incremento y cierres de bucle.
Sync	Después de modificar el mapa, haga clic en Sync para actualizar todas las poses en el mapa de escaneo. Las dos opciones que aparecen en Sync son Sync, que busca nuevos cierres de bucle, o Sync Fast, que omite la búsqueda de cierres de bucle y simplemente actualiza el mapa de escaneo. Para obtener más información, consulte Sincronizar el mapa.
Export to Occupancy Grid	Cuando esté satisfecho con el aspecto del mapa, haga clic en Export to Occupancy Grid para exportar el mapa a un archivo.m o guardarlo en el área de trabajo. El mapa se genera como una cuadrícula de ocupación probabilística bidimensional en un objeto occupancyMap.
Open Session Save Session	Puede abrir sesiones de app existentes que haya guardado usando Open Session. Cuando esté en la pestaña Map Builder, puede guardar el progreso en un archivo .m usando Save Session.

Abrir la aplicación app SLAM Map Builder

• Barra de herramientas de MATLAB^®: En la pestaña Apps, debajo de ROBOTICS AND AUTONOMOUS SYSTEMS, haga clic en SLAM Map Builder.

• Ventana de comandos de MATLAB: Ingrese slamMapBuilder

Ejemplos

Construye y ajusta mapas usando escaneos LiDAR con SLAM

La app SLAM Map Builder ayuda a crear una cuadrícula de ocupación a partir de escaneos LiDAR utilizando algoritmos de localización y mapeo simultáneos (SLAM). El mapa se construye estimando poses mediante la comparación de escaneos y usando cierres de bucle para optimizar el grafo de poses. Este ejemplo muestra el flujo de trabajo para cargar un rosbag de datos de escaneo LiDAR, filtrar los datos y crear el mapa. Ajuste el mapa de escaneo ajustando las coincidencias de escaneo incrementales y modificando los cierres de bucle.

Cargar datos de escaneo LiDAR

Cargue el archivo MAT de ejemplo en el área de trabajo, que contiene una variable, scans, como un arreglo de celdas de objetos lidarScan.

load slamLidarScans.mat

Abre la app

En la pestaña Apps, en ROBOTICS AND AUTONOMOUS SYSTEMS, haga clic en SLAM Map Builder.

También puede llamar a la función slamMapBuilder:

slamMapBuilder

Importar escaneos LiDAR

Haga clic en Import > Import from workspace para cargar los escaneos. Los datos almacenados como rosbag se pueden cargar con una licencia de ROS Toolbox.

Seleccione la variable scans en el menú desplegable Scans.

En la barra de herramientas, configure Downsample to (%) en 10. Reducir la resolución de los datos de manera uniforme para reducir el tiempo de cálculo del algoritmo SLAM. Para este ejemplo, el 10% es cada cinco escaneos. Haga clic en Apply.

Utilice el control deslizante o las teclas de flecha en la parte inferior para obtener una vista previa de los escaneos.

Una vez que haya terminado de importar, haga clic en Cerrar.

Ajustar la configuración de SLAM

El algoritmo SLAM se puede ajustar mediante el cuadro de diálogo SLAM Settings. Los parámetros deben ajustarse según las especificaciones de su sensor, el entorno y su aplicación. Para este ejemplo, aumente Loop Closure Threshold de 200 a 300. Este umbral aumentado disminuye la probabilidad de aceptar y utilizar un cierre de bucle detectado. Establezca el Intervalo de optimización en 10. Con cada décimo cierre de bucle aceptado, el grafo de pose se optimiza para tener en cuenta la deriva.

Construir el mapa

Después de filtrar sus datos y configurar los ajustes del algoritmo SLAM, haga clic en Build. La app comienza a procesar escaneos para crear el mapa. Debería ver cómo el control deslizante avanza y los escaneos se superponen en el mapa. La trayectoria estimada del robot se representa en el mismo mapa de escaneo. Las coincidencias de escaneo incremental se muestran en el panel Incremental Match. Cuando se detecta el cierre de un bucle, el panel Loop Closure muestra los dos escaneos superpuestos.

Ajustar coincidencias de escaneo o cierres de bucle

En cualquier momento durante el proceso de compilación, si observa que el mapa está distorsionado o que una coincidencia incremental o el cierre de un bucle no se ven bien, haga clic en Pause para seleccionar los escaneos que se van a ajustar. También puede modificar los escaneos al final del proceso de compilación. Navegue usando las teclas de flecha o el control deslizante hasta el punto del archivo donde ocurre la distorsión por primera vez. Haga clic en los botones Incremental Match o Loop Closure para ajustar las poses de escaneo que se muestran actualmente. En esta sección, el mal cierre del bucle es artificial y sólo tiene fines ilustrativos.

Haga clic en el botón Loop Closure. Esto abre una pestaña para modificar la pose relativa del cierre del bucle.

Para ignorar completamente el cierre del bucle, haga clic en Ignore. De lo contrario, modifique manualmente la pose relativa del escaneo hasta que los escaneos se alineen.

Haga clic en Pan Scan o Rotate Scan, luego haga clic y arrastre en la figura para alinear los dos escaneos. Haga clic en Accept cuando haya terminado. Puede hacer esto para múltiples escaneos.

Después de modificar las poses de escaneo para coincidencias incrementales y cierres de bucle, haga clic en Sync para aplicar los cambios. SyncFast actualiza el mapa sin buscar nuevos cierres de bucle y reduce el tiempo de cálculo si ya ha procesado todos los escaneos.

Exportar cuadrícula de ocupación

Una vez que haya sincronizado sus cambios y haya terminado de construir el mapa, se ve un mapa escaneado completamente superpuesto con la trayectoria del robot.

Haga clic en Exportar cuadrícula de ocupación para obtener un mapa de ocupación final de su entorno como un objeto . Exporta el mapa al área de trabajo o a un archivo MAT. Puede crear un mapa a partir de un subconjunto de escaneos desplazándose hacia atrás hasta el fotograma deseado antes de exportar y seleccionando Hasta el escaneo seleccionado actualmente.

Mostrar el mapa de ocupación almacenado.

load("slamMapBuilderOccMap.mat")
show(myOccMap)
title("Built Occupancy Map")

También puede guardar una sesión de la app SLAM Map Builder usando el botón Save Session. La app escribe el estado actual en un archivo .mat que se puede cargar posteriormente utilizando Open Session.

Ejemplos relacionados

• Implementar localización y mapeo simultáneos (SLAM) con escaneos LiDAR

Parámetros

Scans — Escaneos LiDAR para importar desde el área de trabajo

Arreglo de celdas de N elementos de objetos lidarScan

Escaneos LiDAR para importar desde el área de trabajo, especificados como un arreglo de celdas de N elementos de objetos lidarScan.

Poses (Odometry) — Poses para importar desde el área de trabajo

matriz de N por 3 | Arreglo de celdas de N elementos con vectores fila de tres elementos

Poses a importar desde el espacio de trabajo, especificado como una matriz de N por 3 o un arreglo de celdas de N elementos de vectores fila de tres elementos. Cada fila de la matriz de N por 3 y cada vector fila de tres elementos del arreglo de celdas representan una pose con la forma [x y theta]. x y y comprenden la posición en metros y theta es la orientación en radianes.

Ejemplo: [0 0 0; 1 1 pi/4; 2 2 pi/2]

Ejemplo: {[0 0 0],[1 1 pi/4],[2 2 pi/2]}

Uso programático

slamMapBuilder(bag) abre la app SLAM Map Builder e importa el archivo de registro rosbag especificado en bag, un objeto BagSelection creado usando la función rosbag (ROS Toolbox). La app se abre en la pestaña Import para filtrar los datos del sensor en rosbag.

slamMapBuilder(sessionFile) abre la app SLAM Map Builder desde un archivo de sesión guardado llamado sessionFile. Se crea un archivo de sesión de la app mediante el botón Save Session en la barra de herramientas de la app.

slamMapBuilder(scans) abre la app SLAM Map Builder e importa los escaneos especificados en scans, un arreglo de celdas de objetos lidarScan. La app asume que ha filtrado previamente sus escaneos y omite el proceso de importación. Haga clic en Build para empezar a construir el mapa.

slamMapBuilder(scans,poses) abre la app SLAM Map Builder e importa los escaneos y las poses. scans se especifica como un arreglo de celdas de objetos lidarScan. poses es una matriz de vectores [x y theta] que corresponden a las poses de scans. La app asume que ha filtrado previamente sus escaneos y omite el proceso de importación. Haga clic en Build para empezar a construir el mapa.

Más acerca de

Importar y filtrar un rosbag

Cuando haga clic en el botón Import, especifique los parámetros para rosbag y cómo desea filtrar los datos en la barra de herramientas. Debe aplicar los ajustes con Apply para ver los escaneos actualizados en las figuras.

• Seleccione el tema ROS para los escaneos LiDAR y la odometría (si está disponible).

• En Odom Topic, si selecciona Use TF, especifique el marco del sensor de escaneo LiDAR, Lidar Frame, y el marco fijo base del vehículo, Fixed Frame. Los elementos del menú desplegable se generan en base a los fotogramas disponibles en el árbol de transformación tf del rosbag. La app solo admite los temas /tf y /tf2.

• Especifique Start Time y End Time si desea recortar datos de rosbag. Puede utilizar los controles deslizantes o escribir manualmente los valores de tiempo.

• Seleccione el porcentaje de submuestreo deseado de escaneos en Downsample to (%) . Esto reduce uniformemente la tasa de muestreo de los escaneos según el porcentaje. Por ejemplo, un valor del 25% solo seleccionaría una de cada cuatro exploraciones.

• Haga clic en Apply para ver los nuevos escaneos filtrados y aplicar todas las configuraciones. Close cierra la pestaña cuando haya terminado.

Si desea tener más control sobre el filtrado de escaneos en el rosbag, importe su rosbag a MATLAB usando rosbag (ROS Toolbox). Filtra el rosbag usando select (ROS Toolbox). Para abrir la app usando su rosbag filtrado personalizado, consulte Uso programático.

Ajustar la configuración de SLAM

Para mejorar el proceso de creación automática de mapas, el algoritmo SLAM tiene parámetros ajustables. Haga clic en SLAM Settings para ajustar los parámetros. Utilice Lidar SLAM Parameters para afectar diferentes aspectos de los procesos de alineación de escaneo y detección de cierre de bucle. Además, ajusta NLP Solver Parameters para cambiar la forma en que el algoritmo de optimización de mapas mejora el mapa general en base a los cierres de bucles.

Lidar SLAM Parameters:

• Map Resolution (cells/m): Resolución del mapa. La resolución afecta la precisión de la ubicación de la alineación del escaneo y define el tamaño de salida de la cuadrícula de ocupación.

• Lidar Range [min,max] (m): Rango de lecturas del sensor LiDAR. Al procesar los escaneos LiDAR, se ignoran las lecturas fuera del rango LIDAR.

• Loop Closure Threshold: Umbral sin unidades para aceptar cierres de bucle. Dependiendo de sus escaneos LiDAR, la puntuación promedio de cierre de bucle varía. Si el proceso de construcción no encuentra cierres de bucle y el vehículo vuelve a visitar ubicaciones en el mapa, considere reducir este umbral.

• Loop Closure Search Radius (m): Radio para buscar cierres de bucle. Según la pose de odometría, el algoritmo busca cierres de bucles en el mapa existente dentro del radio dado en metros.

• Loop Closure Max Attempts: Número de intentos de encontrar cierres de bucle. Cuando este número aumenta, el algoritmo intenta más encontrar cierres de bucles en el mapa, pero aumenta el tiempo de cálculo.

• Loop Closure Auto Rollback: Permite el rechazo automático de cierres de bucle. El algoritmo rastrea el error residual de la optimización del mapa. Si detecta un cambio repentino en el error y este parámetro está configurado en on, se rechaza el cierre del bucle.

• Optimization Interval (# of Loop Closures): Número de cierres de bucle detectados que se aceptan para activar la optimización. De forma predeterminada, el mapa se optimiza con cada cierre de bucle encontrado.

• Movement Threshold [Linear,Angular] (m,rad): Cambio mínimo de pose necesario para aceptar un nuevo escaneo. Si la pose del vehículo no supera este umbral, el siguiente escaneo se descarta del proceso de creación del mapa.

NLP Solver Parameters:

• Max Iterations: Número máximo de iteraciones para la optimización del mapa. Aumentar este valor puede mejorar la precisión del mapa, pero aumenta el tiempo de cálculo.

• Max Time (s): Tiempo máximo permitido para la optimización del mapa especificado en segundos. Aumentar este valor puede mejorar la precisión del mapa, pero aumenta el tiempo de cálculo.

• Gradient Tolerance: Límite inferior de la norma del gradiente de la función de coste para la optimización. Reducir este valor hace que la optimización se ejecute durante más tiempo para buscar un mínimo local, pero aumenta el tiempo de cálculo.

• Function Tolerance: Límite inferior del cambio en la función de coste para la optimización. Reducir este valor hace que la optimización se ejecute durante más tiempo para buscar un mínimo local, pero aumenta el tiempo de cálculo.

• Step Tolerance: Límite inferior del tamaño del paso para la optimización. Reducir este valor hace que la optimización se ejecute durante más tiempo para buscar un mínimo local, pero aumenta el tiempo de cálculo.

• First Node Pose [x,y,theta] (m,rad): Pose del primer nodo en el grafo. Si necesita desplazar la posición de los escaneos en el mapa, especifique la posición, [x y], en metros y la orientación, theta, en radianes.

Después de cambiar cualquiera de estas configuraciones, se debe reiniciar el proceso de creación del mapa para reconstruir el mapa con los nuevos parámetros.

Modificar coincidencias incrementales y cierres de bucles

Esta app permite modificar manualmente los escaneos incrementales y ajustar los cierres de bucle detectados. Si observa que los escaneos no están alineados correctamente después de crear el mapa, utilice los botones Incremental Match y Loop Closure para abrir sus pestañas de modificación. Utilice los botones de la barra de herramientas de modificación para ajustar la pose relativa entre escaneos.

• Ignore: Al modificar los cierres de bucle, puede simplemente ignorar los cierres de bucle si son inexactos. El algoritmo siempre descarta el cierre de bucle ignorado si se detecta en la misma sesión de la app. No puede ignorar las coincidencias de escaneo incremental.

• Pan Scan: Haga clic en este botón para cambiar la pose manualmente. Después de seleccionar, haga clic y arrastre dentro del mapa para cambiar los escaneos y superponerlos correctamente. Alinee todos los puntos de los escaneos hasta que esté satisfecho. También puede especificar manualmente la ubicación X, Y en la sección Relative Pose.

• Rotate Scan: Haga clic en este botón para rotar manualmente la pose. Después de seleccionar, haga clic y arrastre dentro del mapa para rotar los escaneos y superponerlos correctamente. Alinee todos los puntos de los escaneos hasta que esté satisfecho. También puede especificar manualmente la ubicación Theta en la sección Relative Pose.

Sincronizar el mapa

Luego de realizar modificaciones en el proceso de creación del mapa utilizando Incremental Scans y Loop Closures, debe sincronizar el mapa para aplicar los cambios. Según los cambios que realice para alinear correctamente los escaneos, el mapa general cambia y las alineaciones cambian para cada escaneo después de su modificación. Tiene dos opciones después de realizar modificaciones, Sync o Sync Fast. Si pulsa Sync Fast, los cambios en las poses se aplican automáticamente y no se producen otros cambios en el mapa. Sync reinicia todo el proceso de creación del mapa y detección de cierre de bucles a partir de la primera modificación. Se aplican las modificaciones especificadas, pero el algoritmo intenta realinear otros escaneos y buscar también nuevos cierres de bucle.

Historial de versiones

Introducido en R2019b

Consulte también

Funciones

• buildMap | matchScans | matchScansGrid | rosbag (ROS Toolbox) | optimizePoseGraph

Objetos

• lidarSLAM | lidarScan | occupancyMap | poseGraph | factorGraph