SLAM in Autonomous Driving book (SAD book)

本书向读者系统介绍了惯性导航、组合导航、激光建图、激光定位、激光惯导里程计等知识。本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2023.7.10开始印刷，预计在两周内上架。届时我会更新各平台的链接信息。
• 2023.8.9 本书目前是第二次印刷，在第一次上修正了一部分内容（但没有签名了），详情见代码的推送。
• 电子工业出版社官方：https://item.jd.com/10080292102089.html
• 京东自营： 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，几何学、运动学、KF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，scan matching, 似然场，子地图，2D回环检测，pose graph
• 第7章，3D激光建图，ICP，变种ICP，NDT，NDT LO, Loam-like LO，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

• 本书大概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)，把IMU和GNSS的数据喂给它，看它如何推算自己的状态。
  • 您还会用预积分系统实现一样的功能，然后对比它们的运行方式。
  • 接下来您会实现一遍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，您也会自己实现一遍Kd树，处理近似最近邻，然后用这个Kd树来实现ICP，点面ICP，讨论它们有什么可以改进的地方。
  • 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。它工作的方式类似于Loam，但更简单。
  • 您会想要把IMU系统也放到激光里程计中。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。
  • 您需要把上面的系统改成离线运行的，让回环检测运行地充分一些。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要比类似的算法库简单的多。您可以快速地理解它们的工作方式，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：

• 百度云链接: 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)，请视自己硬盘容量下载。

  • 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。如果不那么做，您也可以手动指定这些文件路径。如果您硬盘容量不足，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。更老的Ubuntu版本需要适配gcc编译器，主要是C++17标准。更新的Ubuntu则需要您自己安装对应的ROS版本。
• 在编译本书代码之前，请先安装以下库（如果您机器上没有安装的话）
  • 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，使用通常的cmake, make方式就可以编译本书所有内容了。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

1. 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）：gaoxiang12#67
2. 第5章test_nn编译时，gtest报gmock错误：gaoxiang12#18
3. 编译器版本问题：gaoxiang12#4
4. g2o编译问题（config.h找不到）： gaoxiang12#95

TODO项

• LioPreiteg在某些数据集上不收敛

NOTES

• [已确认] ULHK的IMU似乎和别家的不一样，已经去了gravity, iekf初期可能有问题
• [已确认] NCLT的IMU在转包的时候转成了Lidar系，于是Lidar与IMU之间没有旋转的外参（本来Lidar是转了90度的），现在Lidar是X左Y后Z下，原车是X前Y右Z下。本书使用的NCLT数据均基于点云系, 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