slam_in_autonomous_driving - 自动驾驶SLAM技术教程及开源代码实现

自动驾驶中的SLAM书籍（SAD书）

本书系统地向读者介绍了惯性导航、组合导航、激光建图、激光定位、激光惯导里程计等知识。这个仓库是书籍对应的源代码仓库，可以公开使用。

注意

本书已于2023年7月10日开始印刷，预计两周内上架。届时我会更新各平台的链接信息。
2023年8月9日，本书目前是第二次印刷，在第一次的基础上修正了一部分内容（但没有签名），详情请查看代码的推送。
电子工业出版社官方链接：https://item.jd.com/10080292102089.html
京东自营链接：https://item.jd.com/13797963.html

本书的内容编排

第1章：概述
第2章：数学基础知识回顾，包括几何学、运动学、卡尔曼滤波器理论、矩阵李群
第3章：误差状态卡尔曼滤波器，惯性导航、卫星导航、组合导航
第4章：预积分、图优化、基于预积分的组合导航
第5章：点云基础处理，各种最近邻结构，点云线性拟合
第6章：2D激光建图，扫描匹配、似然场、子地图、2D回环检测、位姿图
第7章：3D激光建图，ICP、变种ICP、NDT、NDT里程计、类Loam里程计、LIO松耦合
第8章：紧耦合LIO，IESKF，预积分紧耦合LIO
第9章：离线建图，前端、后端、批量回环检测、地图优化、切片导出
第10章：融合定位，激光定位，初始化搜索，切片地图加载，EKF融合

本书的特点

本书可能是您能找到的类似材料中，数学推导和代码实现最为简单的书籍。
在这本书里，您会复现许多激光SLAM中的经典算法和数据结构。
- 您需要自己推导、实现一个误差状态卡尔曼滤波器(ESKF)，将IMU和GNSS的数据输入其中，观察它如何推算自己的状态。
- 您还会用预积分系统实现相同的功能，然后对比它们的运行方式。
- 接下来您会实现2D激光SLAM中的常见算法：扫描匹配、似然场、子地图、占据栅格，再用回环检测来构建一个更大的地图。这些都需要您自己来完成。
- 在激光SLAM中，您也会自己实现Kd树，处理近似最近邻，然后用这个Kd树来实现ICP、点面ICP，讨论它们有哪些可以改进的地方。
- 然后您会实现经典的NDT算法，测试它的配准性能，然后用它来搭建一个激光里程计。它比大部分现有LO快得多。
- 您也会实现一个点面ICP的激光里程计，它也非常快。它的工作方式类似于Loam，但更简单。
- 您会想要将IMU系统也整合到激光里程计中。我们会实现松耦合和紧耦合的LIO系统。同样地，您需要推导一遍迭代卡尔曼滤波器和预积分图优化。
- 您需要将上述系统改为离线运行，让回环检测运行得更充分。最后将它做成一个离线的建图系统。
- 最后，您可以对上述地图进行切分，然后用来做实时定位。
本书的大部分实现都比类似的算法库简单得多。您可以快速理解它们的工作方式，而不需要面对复杂的接口。
本书会使用非常方便的并发编程。您会发现，本书的实现往往比现有算法更高效。当然这有一部分是历史原因造成的。
本书每章都会配有动态演示，像这样：

希望您能喜欢本书的极简风格，发现算法的乐趣所在。

数据集

数据集下载链接：
百度网盘链接: https://pan.baidu.com/s/1ELOcF1UTKdfiKBAaXnE8sQ?pwd=feky 提取码: feky
OneDrive链接：https://1drv.ms/u/s!AgNFVSzSYXMahcEZejoUwCaHRcactQ?e=YsOYy2
包含以下数据集。总量较大(270GB)，请根据自己的硬盘容量选择下载。
- UrbanLoco (ULHK，3D激光，道路场景)
- NCLT (3D激光，RTK，校园场景)
- WXB (3D激光，园区场景)
- 2dmapping (2D激光，商场场景)
- AVIA (大疆固态激光)
- UTBM (3D激光，道路场景)
其他的内置数据
- 第3,4章使用文本格式的IMU，RTK数据
- 第7章使用了一部分EPFL的数据作为配准点云来源
您应该将上述数据下载至./dataset/sad/目录下，这样许多默认参数可以正常工作。如果不这样做，您也可以手动指定这些文件路径。如果您的硬盘容量不足，可以将其他硬盘的目录软链至此处。

编译

本书推荐的编译环境是Ubuntu 20.04。较旧的Ubuntu版本需要适配gcc编译器，主要是C++17标准。较新的Ubuntu则需要您自行安装对应的ROS版本。
在编译本书代码之前，请先安装以下库（如果您的机器上尚未安装）
- ROS Noetic：http://wiki.ros.org/noetic/Installation/Ubuntu
- 使用以下指令安装其余的库
```
sudo apt install -y ros-noetic-pcl-ros ros-noetic-velodyne-msgs libopencv-dev libgoogle-glog-dev libeigen3-dev libsuitesparse-dev libpcl-dev libyaml-cpp-dev libbtbb-dev libgmock-dev
```
- Pangolin：编译安装thirdparty/pangolin.zip，或者 https://github.com/stevenlovegrove/Pangolin
- 编译thirdparty/g2o，或者自行编译安装 https://github.com/RainerKuemmerle/g2o
- 通过cmake, make安装本repo下的thirdparty/g2o库
之后，使用常规的cmake, make方式即可编译本书所有内容。例如

mkdir build
cd build
cmake ..
make -j8

编译后各章的可执行文件位于bin目录下

适配Ubuntu18.04

为了在Ubuntu18.04上编译运行，需要安装gcc-9，并且使用对应版本的TBB。或者在docker环境下使用。

安装gcc-9

sudo add-apt-repository ppa:ubuntu-toolchain-r/test
sudo update-alternatives --remove-all gcc
sudo update-alternatives --remove-all g++

#命令最后的1和10是优先级，如果使用auto选择模式，系统将默认使用优先级高的
sudo update-alternatives --install /usr/bin/gcc gcc /usr/bin/gcc-7 1
sudo update-alternatives --install /usr/bin/gcc gcc /usr/bin/gcc-9 10

sudo update-alternatives --install /usr/bin/g++ g++ /usr/bin/g++-7 1
sudo update-alternatives --install /usr/bin/g++ g++ /usr/bin/g++-9 10

检查版本

g++ -v

编译程序

mkdir build
cd build
cmake .. -DBUILD_WITH_UBUNTU1804=ON
make -j8

在docker环境下使用

docker build -t sad:v1 .
./docker/docker_run.sh

进入docker容器后

cd ./thirdparty/g2o
mkdir build
cd build
cmake ..
make -j8
cd /sad
mkdir build
cd build
cmake ..
make -j8

常见问题

图形界面在2023年以后特定型号的笔记本端导致桌面卡死（GL硬件兼容性）：https://github.com/gaoxiang12/slam_in_autonomous_driving/issues/67
第5章test_nn编译时，gtest报gmock错误：https://github.com/gaoxiang12/slam_in_autonomous_driving/issues/18
编译器版本问题：https://github.com/gaoxiang12/slam_in_autonomous_driving/issues/4
g2o编译问题（config.h找不到）： https://github.com/gaoxiang12/slam_in_autonomous_driving/issues/95

待办事项

LioPreiteg在某些数据集上不收敛

注意事项

[已确认] ULHK的IMU似乎与其他品牌不同，已经去除了重力，iekf初期可能会出现问题
[已确认] NCLT的IMU在转包时转换成了激光雷达坐标系，因此激光雷达与IMU之间没有旋转的外参（原本激光雷达是旋转了90度的）。现在激光雷达坐标系为X左Y后Z下，原车坐标系为X前Y右Z下。本书使用的NCLT数据均基于点云坐标系，IMU的杆臂被忽略。
[已确认] NCLT的RTK fix并不是非常稳定，平均误差在米级