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Générateur de cartes SLAM

Créez des cartes quadrillées 2D à l'aide du SLAM basé sur lidar

Description

L'application SLAM Map Builder charge les analyses lidar enregistrées et les données des capteurs d'odométrie pour créer une grille d'occupation 2D à l'aide d'algorithmes de localisation et de cartographie simultanées (SLAM). La correspondance d'analyse incrémentielle aligne et superpose les analyses pour créer la carte. La détection de fermeture de boucle s'ajuste à la dérive de l'odométrie du véhicule en détectant les emplacements précédemment visités et en ajustant la carte globale. Parfois, l’algorithme de correspondance de balayage et la détection de fermeture de boucle nécessitent un réglage manuel. Utilisez l'application pour aligner manuellement les numérisations et modifier les fermetures de boucles afin d'améliorer la précision globale de la carte. Vous pouvez également régler les paramètres de l'algorithme SLAM pour améliorer la création automatique de cartes.

Pour utiliser l'application :

	Pour charger les fichiers journaux rosbag, sélectionnez Import > Import from rosbag. Sélectionnez le fichier rosbag et cliquez sur Open. Cela ouvre l'onglet Import . Pour plus d’informations, consultez Import and Filter a rosbag. Pour charger des données depuis l'espace de travail, Import > Import from workspace. Sélectionnez vos variables Scans et Poses à l'aide des listes déroulantes fournies. Vous pouvez également spécifier les variables dans la fonction `slamMapBuilder` . Voir Programmatic Use.
	Utilisez SLAM Settings pour ajuster les paramètres de l'algorithme SLAM. Des valeurs par défaut sont fournies, mais vos capteurs et données spécifiques peuvent nécessiter un réglage de ces paramètres. La valeur la plus importante à régler est la Loop Closure Threshold. Pour plus d'informations, consultez Tune SLAM Settings.
	Cliquez sur Build pour commencer le processus de création de carte SLAM. Le processus de construction aligne les numérisations sur la carte à l'aide d'une correspondance de numérisation incrémentielle, identifie les fermetures de boucles lors de la visite d'emplacements précédents et ajuste les poses. Cliquez sur Pause à tout moment pendant le processus de création de carte pour aligner manuellement les analyses incrémentielles ou modifier les fermetures de boucles.
	Cliquez sur Incremental Match pour modifier la pose relative du cadre actuellement sélectionné et aligner le scan avec le scan précédent. Cliquez sur Loop Closure pour modifier ou ignorer la fermeture de boucle détectée pour la trame actuelle. Utilisez le curseur en bas pour revenir aux zones où la correspondance de numérisation ou les fermetures de boucles ne sont pas précises. Vous pouvez modifier n'importe quel nombre d'analyses ou de fermetures de boucles. Pour plus d'informations, consultez Modify Increment Scans and Loop Closures.
	Après avoir modifié votre carte, cliquez sur Sync pour mettre à jour toutes les poses dans la carte numérisée. Les deux options sous Sync sont Sync, qui recherche de nouvelles fermetures de boucle, ou Sync Fast, qui ignore la recherche de fermeture de boucle et met simplement à jour la carte numérisée. Pour plus d’informations, consultez Sync the Map.
	Lorsque vous êtes satisfait de l'apparence de la carte, cliquez sur Export to OccupancyGrid pour exporter la carte vers un fichier m ou enregistrer la carte dans l'espace de travail. La carte est générée sous forme de grille d'occupation probabiliste 2D dans un objet `occupancyMap` .
	Vous pouvez ouvrir les sessions d'application existantes que vous avez enregistrées à l'aide de Open Session. Lorsque vous êtes dans l'onglet Map Builder , vous pouvez enregistrer votre progression dans un fichier m en utilisant Save Session.

Ouvrir l'application Générateur de cartes SLAM

MATLAB^® Bande d'outils : Dans l'onglet Apps , sous ROBOTICS AND AUTONOMOUS SYSTEMS, cliquez sur SLAM Map Builder.
MATLAB Fenêtre de commande : Entrez slamMapBuilder

Exemples

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Créez et ajustez une carte à l'aide de scans Lidar avec SLAM

Ouvrir le live script

L'application SLAM Map Builder vous aide à créer une grille d'occupation à partir d'analyses lidar à l'aide d'algorithmes de localisation et de cartographie simultanées (SLAM). La carte est construite en estimant les poses via une correspondance de numérisation et en utilisant des fermetures de boucles pour l'optimisation du graphique de poses. Cet exemple vous montre le flux de travail pour charger un rosbag de données d'analyse lidar, filtrer les données et créer la carte. Ajustez la carte de numérisation en ajustant les correspondances de numérisation incrémentielles et en modifiant les fermetures de boucle.

Charger les données d'analyse Lidar

Chargez l'exemple de fichier .mat dans l'espace de travail, qui contient une variable, scans, sous la forme d'un cell array d'objets lidarScan .

load slamLidarScans.mat

Ouvrez l'application

Dans l'onglet Applications , sous Robotique et systèmes autonomes , cliquez sur SLAM Map Builder .

Vous pouvez également appeler la fonction slamMapBuilder :

slamMapBuilder

Importer des scans Lidar

Cliquez sur Importer > Importer depuis l’espace de travail pour charger les analyses. Les données stockées sous forme de rosbag peuvent être chargées avec une licence ROS Toolbox .

Sélectionnez la variable scans dans la liste déroulante Scans .

Dans la barre d'outils, définissez Sous-échantillonner à (%) sur 10. Sous-échantillonner uniformément les échantillons des données pour réduire le temps de calcul de l'algorithme SLAM. Pour cet exemple, 10 % correspond à une analyse sur cinq. Cliquez sur Appliquer .

Utilisez le curseur ou les touches fléchées en bas pour prévisualiser les analyses.

Une fois l'importation terminée, cliquez sur Fermer .

Ajuster les paramètres SLAM

L'algorithme SLAM peut être réglé à l'aide de la boîte de dialogue Paramètres SLAM . Les paramètres doivent être ajustés en fonction des spécifications de votre capteur, de l'environnement et de votre application. Pour cet exemple, augmentez le Seuil de fermeture de boucle de 200 à 300. Ce seuil accru diminue la probabilité d'accepter et d'utiliser une fermeture de boucle détectée. Définissez Intervalle d'optimisation sur 10. À chaque dixième fermeture de boucle acceptée, le graphique de pose est optimisé pour tenir compte de la dérive.

Construire la carte

Après avoir filtré vos données et défini les paramètres de l'algorithme SLAM, cliquez sur Construire . L'application commence à traiter les analyses pour créer la carte. Vous devriez voir le curseur progresser et les analyses se superposer sur la carte. La trajectoire estimée du robot est tracée sur la même carte numérisée. Les correspondances d'analyse incrémentielles sont affichées dans le volet Correspondance incrémentielle . Chaque fois qu'une fermeture de boucle est détectée, le volet Fermeture de boucle affiche les deux analyses superposées.

Ajuster les correspondances de numérisation ou les fermetures de boucles

À tout moment pendant le processus de construction, si vous remarquez que la carte est déformée ou qu'une correspondance incrémentielle ou une fermeture de boucle apparaît, cliquez sur Pause pour sélectionner les analyses à ajuster. Vous pouvez également modifier les analyses à la fin du processus de construction. Naviguez à l'aide des touches fléchées ou du curseur jusqu'au point du fichier où la distorsion se produit pour la première fois. Cliquez sur les boutons Incremental Match ou Loop Closure pour ajuster les poses de numérisation actuellement affichées. Dans cette section, la mauvaise fermeture de boucle est artificielle et uniquement à des fins d’illustration.

Cliquez sur le bouton Fermeture de boucle . Cela ouvre un onglet permettant de modifier la pose relative de fermeture de la boucle.

Pour ignorer complètement la fermeture de la boucle, cliquez sur Ignorer . Sinon, modifiez manuellement la pose de numérisation relative jusqu'à ce que les numérisations s'alignent.

Cliquez sur Pan Scan ou Rotate Scan , puis cliquez et faites glisser dans la figure pour aligner les deux scans. Cliquez sur Accepter lorsque vous avez terminé. Vous pouvez le faire pour plusieurs analyses.

Après avoir modifié vos poses de numérisation pour les correspondances incrémentielles et les fermetures de boucles, cliquez sur Sync pour appliquer les modifications. SyncFast met à jour la carte sans rechercher de nouvelles fermetures de boucles et réduit le temps de calcul si vous avez déjà traité tous les scans.

Exporter la grille d'occupation

Une fois que vous avez synchronisé vos modifications et terminé de créer la carte, vous devriez voir une carte numérisée entièrement superposée avec une trajectoire de robot.

Cliquez sur Exporter Grille d'occupation pour obtenir une carte d'occupation finale de votre environnement sous forme d'objet occupancyMap . Spécifiez le nom de la variable pour exporter la carte vers l'espace de travail. Vous pouvez créer une carte à partir d'un sous-ensemble de numérisations en revenant au cadre souhaité avant de l'exporter et en sélectionnant Jusqu'à la numérisation actuellement sélectionnée .

Appelez show sur la carte stockée pour visualiser la carte d'occupation.

show(myOccMap)

Vous pouvez également enregistrer une session de l'application SLAM Map Builder à l'aide du bouton Enregistrer la session . L'application écrit l'état actuel de l'application dans un fichier .mat qui peut être chargé ultérieurement à l'aide de Open Session.

Exemples associés

Utilisation programmatique

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`slamMapBuilder(bag)`

slamMapBuilder(bag) ouvre l'application SLAM Map Builder et importe le fichier journal rosbag spécifié dans bag, un objet BagSelection créé à l'aide du Fonction rosbag (ROS Toolbox) . L'application s'ouvre sur l'onglet Import pour filtrer les données du capteur dans votre rosbag.

`slamMapBuilder(sessionFile)`

slamMapBuilder(sessionFile) ouvre l'application SLAM Map Builder à partir d'un nom de fichier de session enregistré, sessionFile. Un fichier de session d'application est créé via le bouton Save Session dans la barre d'outils de l'application.

`slamMapBuilder(scans)`

slamMapBuilder(scans) ouvre l'application SLAM Map Builder et importe les analyses spécifiées dans scans, un cell array d'objets lidarScan . L'application suppose que vous avez préfiltré vos analyses et ignore le processus d'importation. Cliquez sur Build pour commencer à créer la carte.

`slamMapBuilder(scans,poses)`

slamMapBuilder(scans,poses) ouvre l'application SLAM Map Builder et importe les scans et les poses. scans est spécifié comme un cell array d'objets lidarScan . poses est une matrice de vecteurs [x y theta] qui correspondent aux poses de scans. L'application suppose que vous avez préfiltré vos analyses et ignore le processus d'importation. Cliquez sur Build pour commencer à créer la carte.

En savoir plus

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Importer et filtrer un rosbag

Lorsque vous cliquez sur le bouton Import , spécifiez les paramètres de votre rosbag et la manière dont vous souhaitez filtrer les données dans la barre d'outils. Vous devez Apply vos paramètres pour voir les scans mis à jour dans les figures.

Sélectionnez le sujet ROS pour les analyses lidar et l'odométrie (si disponible).
Dans Odom Topic, si vous sélectionnez Use TF, spécifiez le cadre du capteur de balayage lidar, Lidar Frame, et le cadre fixe de base du véhicule, Fixed Frame. Les éléments du menu déroulant sont générés en fonction des cadres disponibles dans l'arbre de transformation tf du rosbag. L'application ne prend en charge que les sujets /tf et /tf2 .
Spécifiez le Start Time et le End Time si vous souhaitez supprimer les données de rosbag. Vous pouvez utiliser les curseurs ou saisir manuellement vos valeurs de temps.
Sélectionnez le pourcentage de sous-échantillonnage souhaité des analyses dans Downsample to (%) . Cela sous-échantillonne uniformément les analyses en fonction du pourcentage. Par exemple, une valeur de 25 % ne sélectionnerait qu’une analyse sur quatre.
Cliquez sur Apply pour voir les nouvelles analyses filtrées et appliquer tous les paramètres. Close l'onglet lorsque vous avez terminé.

Si vous souhaitez plus de contrôle sur le filtrage des analyses dans le rosbag, importez votre rosbag dans MATLAB en utilisant rosbag (ROS Toolbox). Filtrez le rosbag en utilisant select (ROS Toolbox). Pour ouvrir l'application à l'aide de votre rosbag filtré personnalisé, voir Programmatic Use.

Ajuster les paramètres SLAM

Pour améliorer le processus de création automatique de cartes, l'algorithme SLAM dispose de paramètres réglables. Cliquez sur SLAM Settings pour régler les paramètres. Utilisez Lidar SLAM Parameters pour affecter différents aspects des processus de détection d'alignement de numérisation et de fermeture de boucle. Ajustez également le NLP Solver Parameters pour modifier la façon dont l'algorithme d'optimisation de la carte améliore la carte globale en fonction des fermetures de boucles.

Lidar SLAM Parameters:

Map Resolution (cells/m) –– Résolution de la carte. La résolution affecte la précision de localisation de l'alignement du balayage et définit la taille de sortie de la grille d'occupation.
Lidar Range [min,max] (m) –– Plage de lectures du capteur lidar. Lors du traitement des analyses lidar, les lectures en dehors de la plage lidar sont ignorées.
Loop Closure Threshold –– Seuil sans unité pour accepter les fermetures de boucle. En fonction de vos analyses lidar, le score moyen de fermeture de boucle varie. Si le processus de construction ne trouve pas de fermetures de boucle et que le véhicule revisite des emplacements sur la carte, envisagez d'abaisser ce seuil.
Loop Closure Search Radius (m) –– Rayon pour rechercher les fermetures de boucle. Sur la base de la pose d'odométrie, l'algorithme recherche les fermetures de boucles sur la carte existante dans le rayon donné en mètres.
Loop Closure Max Attempts –– Nombre de tentatives pour trouver des fermetures de boucle. Lorsque ce nombre augmente, l'algorithme effectue davantage de tentatives pour trouver des fermetures de boucles dans la carte mais augmente le temps de calcul.
Loop Closure Auto Rollback –– Autoriser le rejet automatique des fermetures de boucle. L'algorithme suit l'erreur résiduelle de l'optimisation de la carte. S'il détecte un changement soudain de l'erreur et que ce paramètre est défini sur on, la fermeture de la boucle est rejetée.
Optimization Interval (# of Loop Closures) –– Nombre de fermetures de boucle détectées acceptées pour déclencher l'optimisation. Par défaut, la carte est optimisée à chaque fermeture de boucle trouvée.
Movement Threshold [Linear,Angular] (m,rad) –– Changement de pose minimum requis pour accepter un nouveau scan. Si la pose du véhicule ne dépasse pas ce seuil, le prochain scan est écarté du processus de création de carte.

NLP Solver Parameters:

Max Iterations –– Nombre maximum d'itérations pour l'optimisation de la carte. L'augmentation de cette valeur peut améliorer la précision de la carte mais augmente le temps de calcul.
Max Time (s) –– Temps maximum autorisé pour l'optimisation de la carte spécifié en secondes. L'augmentation de cette valeur peut améliorer la précision de la carte mais augmente le temps de calcul.
Gradient Tolerance –– Borne inférieure de la norme du gradient de la fonction de coût pour l'optimisation. La diminution de cette valeur entraîne une exécution plus longue de l'optimisation pour rechercher un minimum local mais augmente le temps de calcul.
Function Tolerance –– Limite inférieure de la variation de la fonction de coût pour l'optimisation. La diminution de cette valeur entraîne une exécution plus longue de l'optimisation pour rechercher un minimum local mais augmente le temps de calcul.
Step Tolerance –– Limite inférieure de la taille du pas pour l'optimisation. La diminution de cette valeur entraîne une exécution plus longue de l'optimisation pour rechercher un minimum local mais augmente le temps de calcul.
First Node Pose [x,y,theta] (m,rad) –– Pose du premier nœud du graphe. Si vous devez décaler la position des scans sur la carte, spécifiez la position, [x y], en mètres et l'orientation, theta, en radians.

Après avoir modifié l'un de ces paramètres, le processus de création de carte doit être redémarré pour reconstruire la carte avec les nouveaux paramètres.

Modifier les correspondances incrémentielles et les fermetures de boucles

Cette application vous permet de modifier manuellement les analyses incrémentielles et d'ajuster les fermetures de boucle détectées. Si vous remarquez que les scans ne sont pas correctement alignés après avoir construit la carte, utilisez les boutons Incremental Match et Loop Closure pour ouvrir leurs onglets de modification. Utilisez les boutons de la bande d'outils de modification pour ajuster la pose relative entre les numérisations.

Ignore –– Lors de la modification des fermetures de boucles, vous pouvez simplement ignorer les fermetures de boucles si elles sont inexactes. L'algorithme ignore toujours la fermeture de boucle ignorée si elle est détectée dans la même session d'application. Vous ne pouvez pas ignorer les correspondances d’analyse incrémentielle.
Pan Scan –– Cliquez sur ce bouton pour décaler manuellement la pose. Après la sélection, cliquez et faites glisser à l'intérieur de la carte pour décaler les numérisations et les superposer correctement. Alignez tous les points des scans jusqu'à ce que vous soyez satisfait. Vous pouvez également spécifier manuellement l'emplacement X, Y dans la section Relative Pose .
Rotate Scan –– Cliquez sur ce bouton pour faire pivoter manuellement la pose. Après la sélection, cliquez et faites glisser à l'intérieur de la carte pour faire pivoter les numérisations et les superposer correctement. Alignez tous les points des scans jusqu'à ce que vous soyez satisfait. Vous pouvez également spécifier manuellement l'emplacement Theta dans la section Relative Pose .

Synchronisez la carte

Après avoir apporté des modifications au processus de création de carte à l'aide de Incremental Scans et Loop Closures, vous devez synchroniser la carte pour appliquer les modifications. En fonction des modifications que vous apportez pour aligner correctement les analyses, les décalages et les alignements globaux de la carte changent pour chaque analyse après votre modification. Vous avez deux options après avoir effectué vos modifications, Sync ou Sync Fast. Si vous cliquez sur Sync Fast, les modifications apportées aux poses sont automatiquement appliquées et aucune autre modification de la carte ne se produit. Sync redémarre l'ensemble des processus de création de carte et de détection de fermeture de boucle à partir de la première modification. Les modifications spécifiées sont appliquées, mais l'algorithme tente de réaligner d'autres analyses et recherche également de nouvelles fermetures de boucle.

Historique des versions

Introduit dans R2019b

Voir aussi

Fonctions

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

Objets

lidarSLAM | lidarScan | occupancyMap | poseGraph