Cartographer-通用功能-纯定位-低延时-里程计-坐标系-参数配置
参考官网 Tuning methodology
通用调参
参数的物理含义
传感器输入部分
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TRAJECTORY_BUILDER_nD.min_range
TRAJECTORY_BUILDER_nD.max_range
激光雷达数据的有效范围，需根据传感器参数和机器人工作场景确定。 -
TRAJECTORY_BUILDER_2D.missing_data_ray_length
当传感器数据超出有效范围最大值时，按此值来处理。默认配置为8m，小于最大距离30m。 -
TRAJECTORY_BUILDER_2D.max_z
TRAJECTORY_BUILDER_2D.min_z
将3D多线激光雷达的z轴数据，投影至平面，当做2D激光雷达使用。 -
TRAJECTORY_BUILDER_nD.num_accumulated_range_data
积累到这个数量的点云信息后，执行一次匹配scan_match，将有效点云插入局部地图InsertIntoSubmap().
匹配频率越高(累积数值小)映射畸变越小，每一scan数据越多，越利于匹配。 -
TRAJECTORY_BUILDER_nD.voxel_filter_size
由于激光雷达的基于原点旋转扫描采样，距离近的障碍物采集数据密集，距离远的障碍物采集点稀疏，为保证远近障碍物权重一致，需做处理。
采用体素滤波器进行降采样机制，使得局部稠密的点变得稀疏。此值越小，得到的数据越稠密，但是计算量越高；此值越大，丢失数据越多，但计算更快。
思考：针对不同性能（分辨率不同，采集频率不同）的激光雷达，这个数值如何设置？ -
TRAJECTORY_BUILDER_nD.*adaptive_voxel_filter.max_length
TRAJECTORY_BUILDER_nD.*adaptive_voxel_filter.min_num_points
自适应体素滤波器adaptive voxel filter参数配置，自适应得出的参数在配置参数范围内。 -
TRAJECTORY_BUILDER_2D.use_imu_data
TRAJECTORY_BUILDER_nD.imu_gravity_time_constant
2D SLAM 可选 IMU；3D SLAM 必选 IMU。
局部local SLAM部分
两种匹配策略：
CeresScanMatcher：用于高质量的传感器场合；
RealTimeCorrelativeScanMatcher：用于传感器质量较差场合，该算法拥有类似于回环检测的特点，具有环境鲁棒性，但耗费计算资源。
CeresScanMatcher的权重配置
TRAJECTORY_BUILDER_nD.ceres_scan_matcher.translation_weight
TRAJECTORY_BUILDER_nD.ceres_scan_matcher.rotation_weight
这里的权重是指：PoseExtrapolator或者RealTimeCorrelativeScanMatcher的权重；
注意：权重参数无量纲，不同参数的权重不可以相互比较。
Ceres匹配算法收敛速度配置
TRAJECTORY_BUILDER_nD.ceres_scan_matcher.ceres_solver_options.use_nonmonotonic_steps
含义：bool量，启动非单调置信区域；
TRAJECTORY_BUILDER_nD.ceres_scan_matcher.ceres_solver_options.max_num_iterations
含义：最大迭代步数；
TRAJECTORY_BUILDER_nD.ceres_scan_matcher.ceres_solver_options.num_threads
含义：线程数；
RealTimeCorrelativeScanMatcher启用和参数配置
- 启用
TRAJECTORY_BUILDER_nD.use_online_correlative_scan_matching - 搜索窗口
TRAJECTORY_BUILDER_nD.real_time_correlative_scan_matcher.linear_search_window
TRAJECTORY_BUILDER_nD.real_time_correlative_scan_matcher.angular_search_window - 权重
TRAJECTORY_BUILDER_nD.real_time_correlative_scan_matcher.translation_delta_cost_weight
TRAJECTORY_BUILDER_nD.real_time_correlative_scan_matcher.rotation_delta_cost_weight
motion filter配置
为了防止一个submap中插入太多scan数据，加入motion filter，在移动不明显时丢弃点云数据。
全部条件不超出以下条件，则丢弃。
有效帧的判断阈值参数入下：
TRAJECTORY_BUILDER_nD.motion_filter.max_time_seconds
时间间隔
TRAJECTORY_BUILDER_nD.motion_filter.max_distance_meters
平移距离
TRAJECTORY_BUILDER_nD.motion_filter.max_angle_radians
旋转角度
Submaps大小规格配置
Submaps有一定数量的range data构成。Submaps越小，内部漂移越小；Submaps越大，越有利于全局定位的回环检测。
TRAJECTORY_BUILDER_nD.submaps.num_range_data
栅格地图格式
通常为PROBABILITY_GRID格式，可选Truncated Signed Distance Fields (TSDF)格式。
TRAJECTORY_BUILDER_2D.submaps.grid_options_2d.grid_type
概率栅格地图占有概率计算权重
栅格地图的最小单元odds是依据hits、misses进行更新栅格概率，权重可配置
TRAJECTORY_BUILDER_2D.submaps.range_data_inserter.probability_grid_range_data_inserter.hit_probability
TRAJECTORY_BUILDER_2D.submaps.range_data_inserter.probability_grid_range_data_inserter.miss_probability
地图分辨率配置
2D地图仅有一个分辨率配置项
TRAJECTORY_BUILDER_2D.submaps.grid_options_2d.resolution
全局Global SLAM
全局定位优化在后台运行，执行“the optimization problem” 和 “sparse pose adjustment”两项任务，以达到修整submaps之间相对位姿关系的目的。
执行频率
当一个数量的trajectory nodes被插入地图后，就执行一次全局优化。
POSE_GRAPH.optimize_every_n_nodes
当该参数设置为0时，禁用全局优化功能，仅在调试local slam时才使用。
搜索范围
POSE_GRAPH.constraint_builder.max_constraint_distance
POSE_GRAPH.fast_correlative_scan_matcher.linear_search_window
POSE_GRAPH.fast_correlative_scan_matcher*.angular_search_window
以上这些范围，不是回环检测的匹配范围。
采样率
POSE_GRAPH.constraint_builder.sampling_ratio
通过将采样实现限制约束条件的数量和计算量，此值过低会使得约束失效，无法正确回环检测，此值过高或增加计算符合，影响实时性。
初步匹配
POSE_GRAPH.constraint_builder.fast_correlative_scan_matcher.branch_and_bound_depth
使用FastCorrelativeScanMatcher最初步的帧匹配，依赖参数branch_and_bound_depth。
匹配方法与分数
POSE_GRAPH.constraint_builder.min_score
POSE_GRAPH.constraint_builder.ceres_scan_matcher
当FastCorrelativeScanMatcher初步匹配的结果分数高于min_score时，才进入下一步的Ceres Scan Matcher处理。
权重
POSE_GRAPH.constraint_builder.loop_closure_translation_weight
POSE_GRAPH.constraint_builder.loop_closure_rotation_weight
POSE_GRAPH.matcher_translation_weight
POSE_GRAPH.matcher_rotation_weight
POSE_GRAPH.optimization_problem.*_weight
POSE_GRAPH.optimization_problem.ceres_solver_options
低延时配置
在机器人定位场景中，低延时非常重要。
Local SLAM,在前台实时运行，对延迟影响很大；
Global SLAM，运行在后台，处理一系列的子地图，若不能保证实时性，则各子地图间的关系会发生漂移。
降低 global SLAM 延迟, 可采取如下措施：
- 降低 optimize_every_n_nodes；
每结束一个node都会添加对应的约束，等待n个node完成后，执行一致回环优化； - 增加 MAP_BUILDER.num_background_threads 至内核数量；
这是线程池的数量； - 降低 global_sampling_ratio；
回环检测采用submaps的采样率； - 降低 constraint_builder.sampling_ratio；
约束条件添加时的采样率； - 增加 constraint_builder.min_score；
约束条件的最小分数； - 关于 adaptive voxel filter(s), 降低 .min_num_points, .max_range, 增加 .max_length；
- 增加 voxel_filter_size, submaps.resolution, 降低 submaps.num_range_data；
- 降低搜索窗口的尺：.linear_xy_search_window, .linear_z_search_window, .angular_search_window；
- 增加 global_constraint_search_after_n_seconds；
- 降低 max_num_iterations；
降低Local SLAM延时，可采取如下措施：
- 增加 voxel_filter_size
- 降低 submaps.resolution
- 关于 voxel filter(s), 降低 .min_num_points, .max_range, 增加 .max_length
- 降低 max_range (尤其是信号噪声大时)
- 降低 submaps.num_range_data
纯定位配置
参考Pure Localization in a Given Map段落
在配置文件中使能纯定位功能
TRAJECTORY_BUILDER.pure_localization = true
降低POSE_GRAPH.optimize_every_n_nodes，可增加定位频率；
降低global_sampling_ratio，constraint_builder.sampling_ratio，可降低回环检测频率；
可参考 lower latency（低延时设置）；
注意事项：
启动纯定位功能后，submaps.resolution的值需要与加载的地图文件.pbstream分辨率一致。
里程计配置
若系统中有里程计存在，则可通过配置 use_odometry = true 将里程计作为输入。
一共有4个参数配置local slam与里程计的权重关系：
POSE_GRAPH.optimization_problem.local_slam_pose_translation_weight
POSE_GRAPH.optimization_problem.local_slam_pose_rotation_weight
POSE_GRAPH.optimization_problem.odometry_translation_weight
POSE_GRAPH.optimization_problem.odometry_rotation_weight
坐标系含义
配置文件中提供四个坐标系
- map_frame: 地图坐标系，单一机器人的全局坐标系，“map”；
- tracking_frame：跟踪和校准的对象，“base_link”；
- published_frame：发对对象，在TF中发布一个坐标，达到校准tracking_frame的目的；
- odom_frame：订阅里程坐标系，“odom”；
如果外部模块提供了里程信息，则cartographer无需提供里程，则设置：
provide_odom_frame = false;
机器人里程计单元会发布里程信息： odom -> base_foot_print。但是由于长时间的运行后，里程信息会发生漂移，需要修整map -> odom 的关系。
cartographer 会实时跟踪估算base_link相对于map的关系；因为base_foot_print与base_link为固定关系，所以可修正odom相对于map的关系，达到里程计校准的目的。