什麼是同步定位和映射 (SLAM)？

什麼是同步定位和映射 (SLAM)？

SLAM（同時定位和建圖）是一種技術建圖方法，它允許機器人和其他自動駕駛車輛同時構建地圖並在該地圖上定位自己。

使用廣泛的算法、計算和其他感官數據，SLAM 軟件系統允許機器人或其他車輛（如無人機或自動駕駛汽車）在陌生環境中繪製路線，同時在該環境中識別自己的位置.

這種自我定位方法允許繪製對人類探索而言可能太小或太危險的區域。

從機器人家用吸塵器到汽車，同步定位和映射技術已經被應用到各個領域。

隨著這項技術變得更便宜並且對該主題進行了更多的研究，SLAM 的許多新的實際用例正在廣泛的行業中出現。

下面我們針對以下幾項做說明

• 什麼是 SLAM（同時定位和映射）？
• SLAM 是如何工作的？
• 激光雷達和 SLAM
• SLAM 應用
• SLAM 無人機

什麼是 SLAM（同時定位和映射）？

同時定位和映射嘗試使機器人或其他自動駕駛車輛映射到陌生區域，同時確定機器人本身在該區域內的位置。

雖然市面上有很多單獨的映射和本地化解決方案，但 SLAM 的複雜性來自於同時做這兩件事（映射和本地化）。

多年來，人們認為讓一個項目在構建地圖的同時跟踪自己的位置是一個經典的“先有雞還是先有蛋”的問題，沒有明確的解決方案。然而，經過數十年的數學和計算研究，許多不同的近似解已經接近解決這個複雜的算法問題。

需要注意的是，SLAM 並不是真正的一種技術產品或單一系統。

相反，同時定位和映射是一個更廣泛的概念，具有近乎無限的可變性。許多不同的軟件解決方案和算法可以實現到基於 SLAM 的系統中，所有這些都取決於環境、用例和所涉及的其他技術。

話雖如此，大多數 SLAM 系統至少有兩個主要組件：

1. 距離測量

所有 SLAM 解決方案都包含某種設備或工具，允許機器人或其他車輛觀察和測量周圍環境。

這可以通過相機、其他類型的圖像傳感器、激光雷達激光掃描儀技術甚至聲納來完成。本質上，任何可用於測量位置、距離或速度等物理屬性的設備都可以作為 SLAM 系統的一部分。

2. 數據提取

一旦計算出這些測量值，SLAM 系統就必須有某種軟件來幫助解釋這些數據。在這方面也有多種選擇，從一系列隔行掃描算法到其他類型的複雜掃描匹配。

不過，所有這些“後端”解決方案本質上都服務於相同的目的：它們提取距離測量設備收集的感官數據，並使用它來識別未知環境中的地標。

一個正常運行的 SLAM 解決方案會看到距離測量設備、數據提取軟件、機器人或車輛本身以及所涉及的其他硬件、軟件或其他處理技術之間的持續相互作用。

所有這些元素都因用例而異，但為了讓任何 SLAM 系統準確地探索其環境，所有這些元素都必須無縫地協同工作。

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SLAM（同時定位和映射）如何工作？

配備 SLAM 的車輛或機器人通過識別其環境中的各種標記和標誌來找到未知位置的路徑。

搭載激光雷達的機器人 | 學分：達姆施塔特工業大學

它這樣做的方式與人類如何做同樣的事情非常相似。

假設你迷失在一個陌生的地方。

首先，您可能會掃描您的環境並尋找任何大型、靜止且易於識別的地標。如果您之前查看過該區域的地圖，這可能是一項更容易的任務，但即使您從未關注過該位置，您仍然可以識別並記下地標本身。

如果您認出地標，那就太好了！接下來，您必須進行一些快速計算以確定您可能離它多遠。如果您知道地標在哪裡，並且您可以確定您相對於標記的位置，那麼您已經做到了——您不再迷路了！

如果您不認識標記，請不要擔心：您只需要探索更多內容。也許現在你離開了標記，在腦海中映射出不熟悉的區域。當你轉身從更遠的地方看到地標時，你就會知道你走了多遠。從這裡開始，您可以繼續探索該地區並註意其他地標，直到最終，陌生的景觀開始變得有意義，您開始了解自己在其中的位置。

同時定位和映射的工作方式幾乎相同。

它識別地標，確定其相對於這些標記的位置，然後繼續探索指定區域，直到它有足夠的地標來創建該區域的綜合地圖。使用這種方法，支持 SLAM 的設備可以同時映射一個位置並在其中定位自己。

激光雷達和 SLAM

使用光來確定不熟悉物體位置的距離測量設備稱為激光雷達傳感器。激光雷達掃描儀是任何同步定位和映射解決方案的最佳和最受歡迎的選項之一。

LiDAR 技術（光檢測和測距的縮寫）通過向目標發射激光並測量該信號返回所需的時間，利用光能從表面收集數據。然後，這些數據可用於創建高度準確的 3D 模型和地圖。

由於 LiDAR 幾乎不需要光來操作，配備 LiDAR 的 SLAM 系統可以收集人眼可能難以觀察的任何障礙物或地標的精確、高精度數據。2D LiDAR SLAM 常用於倉庫機器人，3D LiDAR SLAM 被用於從採礦作業到自動駕駛汽車的所有領域。

話雖如此，在某些情況下，LiDAR 可能不是 SLAM 系統的正確選擇。

如果障礙物不多，或者障礙物距離很遠，機器人或車輛可能很難將自身與激光雷達的點雲對齊。這可能會導致設備失去對其位置的跟踪並偏離路線。

此外，LiDAR 技術需要相當多的處理能力，雖然 LiDAR 技術的成本和尺寸正在迅速下降，但聲納或傳統相機等其他距離測量設備可能仍然是許多用例和價格點的正確選擇。

SLAM（同時定位和映射）應用程序

幾十年來，SLAM 一直是廣泛的技術和理論研究的主題。然而，隨著所有相關組件（計算機處理器、相機、激光雷達等）的成本持續下降，同時定位和映射的實際應用正在多個領域出現。

以下是當今使用 SLAM 的四種最令人興奮的方式：

1.清潔機器人

有趣的是，SLAM 技術在普通家庭中的首批應用之一是機器人吸塵器。

這些安靜的圓形清潔器可能看起來比此列表中的其他一些項目更簡單，但它們可以說是目前最普遍的，這足以在此提及它們。

事實上，清潔機器人實際上是同時定位和映射如何工作的最佳教程之一。如果沒有 SLAM，清潔機器人只會在地板上隨意移動。它無法檢測到障礙物，這意味著它會不斷地撞到椅子或腳上。它也將無法“記住”它已經清潔過的區域，從而首先破壞了自動真空吸塵器的全部目的。

然而，使用 SLAM，機器人能夠越過它已經覆蓋的區域（映射），並且能夠避開任何障礙物或地標（定位）。它還能夠同時（同時）完成這兩項工作，這使其成為 SLAM 技術如何能夠並將在家庭內外發揮作用的完美示例。

2. 娛樂 

2021 年 12 月，華特迪士尼公司獲得了一項基於 SLAM 技術運行的“虛擬世界模擬器”的專利。

通過不斷跟踪遊客不斷變化的觀點，虛擬世界模擬器允許多個用戶在真​​實世界的主題公園景點中體驗動態 3D 環境——所有這些都無需使用眼鏡或耳機。

根據該專利，這款虛擬世界模擬器有朝一日可以使用 SLAM 技術將道具、藝術甚至動畫角色等所有內容直接投射到現實世界的場地中。這項基於 SLAM 的技術超越了虛擬現實或增強現實，有能力徹底顛覆主題公園世界和整個娛樂業。

3. 醫學

SLAM 正被用於醫療領域，以幫助手術室的醫生，使手術更容易、更微創。

通過在人體內外使用 SLAM 技術和自主技術，醫生現在能夠使用 SLAM 快速、更準確地識別問題並製定解決方案。 

圖片來源：卡內基梅隆大學 Howie Choset

Medical SLAM 可以為外科醫生提供患者體內物體的“鳥瞰圖”，而無需進行深度切割。通過快速準確地顯示患者體內甚至是動態物體的 3D 模型，SLAM 技術將在未來許多年繼續用於協助手術和其他醫療工作。

4.自動駕駛汽車

由於 SLAM 技術專門用於幫助自動物品在未知位置找到路徑，因此 SLAM 和自動駕駛汽車密切相關是有道理的。

情況就是這樣——事實上，SLAM 是自動駕駛汽車穿越世界的主要方式。

自動駕駛汽車可以使用 SLAM 軟件來識別從車道線到紅綠燈再到道路上其他車輛的一切。SLAM 比 GPS 技術更準確、響應更快，很可能成為釋放自動駕駛汽車真正潛力的關鍵。

隨著未來幾年越來越準確的 SLAM 解決方案被創造出來，自動駕駛汽車幾乎肯定會成為大眾市場首先看到它們實施的地方之一。

SLAM 無人機

還有一個我們上面沒有提到的最後一個實施領域，那就是 SLAM 與無人機的交互。

無人機和其他無人機的 SLAM 是不斷發展的技術最令人興奮的發展領域之一，並且有許多前沿項目與 SLAM 系統和無人機相遇。

Elios 3是一款具有 SLAM 功能的 LiDAR 無人機

但無人機的 SLAM 究竟是什麼？

好吧，任何自主無人機要成功完成其預期操作，它需要能夠知道其位置，創建其周圍環境的地圖並規劃飛行路徑以到達它要去的地方。

如果它處於一個不斷變化的環境中，就像許多商業和工業無人機一樣，它需要在相對較短的時間跨度內動態地完成所有這些工作。

換句話說，這是 SLAM 實施的完美情況。

SLAM 解決方案能夠實時支持自主無人機操作，允許各種無人機根據途中的物體、地標和障礙物隨時改變其飛行路徑。使用 LiDAR 掃描儀和 SLAM 軟件，所有不同類型的無人機都可以準確、動態地改變其路徑和操作，而無需任何人工干預。

應該注意的是，一些無人機的飛行速度太快，許多 SLAM 系統無法準確測量。

然而，結合 SLAM、LiDAR 掃描儀和其他測繪和成像系統，飛行速度較慢的無人機可用於對許多危險或難以到達的地點進行 3D 建模，包括洪氾區、茂密的森林、夜間事故現場、水下救援遺址，考古挖掘等等。

當然，正如多次提到的，您需要的特定類型的 SLAM 系統或 LiDAR 掃描儀將在很大程度上取決於您的預期用例。

但是，雖然一開始的選擇和多樣性可能是壓倒性的，但總的來說，SLAM 解決方案和無人機技術最令人興奮的事情之一是它幾乎可以為任何項目定制。通過組合不同的 SLAM 組件和無人機類型，您可以創建幾乎任何用途的 SLAM 無人機。