林連秀，葉蕓，姚劍敏，郭太良

　　(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院, 福建 福州 350002)

　　摘要：ORB-SLAM（基于ORB特征識(shí)別的同時(shí)定位與地圖構(gòu)建系統(tǒng)）的源代碼無(wú)法在嵌入式開(kāi)發(fā)板運(yùn)行，其構(gòu)建的點(diǎn)云圖太稀疏無(wú)法滿(mǎn)足移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃要求。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，文章提出將ORBSLAM進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，移植到嵌入式開(kāi)發(fā)板完成SLAM過(guò)程。首先，刪除原PC端Linux系統(tǒng)下的軌跡、點(diǎn)云圖、一些依賴(lài)庫(kù)，保留并改進(jìn)src和include文件夾下大部分C++代碼；其次，在嵌入式平臺(tái)以JNI調(diào)用方式調(diào)用改進(jìn)后的C++代碼，增加OpenCV、g2o、DBoW2、Eigen等依賴(lài)庫(kù)；最后根據(jù)處理后的關(guān)鍵幀連接繪制柵格地圖，完成實(shí)時(shí)軌跡顯示和地圖構(gòu)建。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)移植實(shí)現(xiàn)了在嵌入式開(kāi)發(fā)板進(jìn)行SLAM過(guò)程，硬件配置要求和成本大大降低，所構(gòu)建的柵格地圖占存量更小且更直觀反映實(shí)際環(huán)境的布局情況，地圖誤差控制在±0.5 m的較高精度范圍內(nèi)，較大程度地提高了SLAM性能。

　　關(guān)鍵詞：ORB-SLAM；嵌入式；移植；柵格地圖

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.05.016

　　引用格式：林連秀，葉蕓，姚劍敏，等.基于ORB-SLAM的移動(dòng)機(jī)器人嵌入式實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（5）：50-53.

0引言

　　*基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金(2014J01236)；福建省科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2014HZ0003-1)；福建省資助省屬高校專(zhuān)項(xiàng)課題(JK2014003).同時(shí)定位與地圖構(gòu)建（SLAM）技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境中，通過(guò)對(duì)環(huán)境的觀測(cè)，遞增地構(gòu)建環(huán)境地圖，并通過(guò)構(gòu)建的環(huán)境地圖實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的定位，它是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主導(dǎo)航和定位的關(guān)鍵技術(shù)。目前實(shí)現(xiàn)SLAM的算法很多，其中ORB-SLAM以追蹤效果好、地圖精度高、定位穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)脫穎而出，成為研究熱點(diǎn)。

　　ORB-SLAM算法由Raúl M A等人于2015年發(fā)表在IEEE Transactions on Robotics［1］，且在PC的Linux系統(tǒng)上開(kāi)放了開(kāi)源ORB-SLAM系統(tǒng)。采用該ORB-SLAM開(kāi)源算法，在PC Linux系統(tǒng)上較好實(shí)現(xiàn)了SLAM過(guò)程，但等同于PC的硬件配置需求成本高，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人普通嵌入式開(kāi)發(fā)板不適用［2］。ORB-SLAM算法主要由追蹤、地圖構(gòu)建、閉環(huán)控制3個(gè)線(xiàn)程組成，其中地圖構(gòu)建部分平均處理每關(guān)鍵幀約385 ms，相對(duì)比較耗時(shí)，具備較大優(yōu)化空間［3］。采用ORB-SLAM開(kāi)源算法所構(gòu)建的地圖是用點(diǎn)云圖方式顯示，點(diǎn)云很稀疏，不容易看出所構(gòu)建的室內(nèi)結(jié)構(gòu)［4］。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人地圖要求上，柵格地圖表示法優(yōu)于點(diǎn)云圖表示法，一方面可以大大節(jié)省內(nèi)存空間，另一方面也便于后續(xù)路徑規(guī)劃過(guò)程中進(jìn)行碰撞檢測(cè)和空間可行性分析［5］。從硬件開(kāi)發(fā)成本考慮，如若用PC進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)發(fā)，顯然只用到PC很小部分功能，造成功能浪費(fèi)、成本偏高，而嵌入式開(kāi)發(fā)板有著低功耗、低成本、適當(dāng)?shù)腃PU運(yùn)算效能與友善的軟件接口等優(yōu)勢(shì)［6］。

　　針對(duì)以上ORB-SLAM源代碼只能運(yùn)行在PC而無(wú)法在嵌入式開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行，且其構(gòu)建的點(diǎn)云圖太稀疏無(wú)法滿(mǎn)足移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃要求的問(wèn)題，本文對(duì)此進(jìn)行了較大改進(jìn)，保留ORBSLAM部分源碼并做出修改，移植到嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，修改地圖構(gòu)建中的耗時(shí)部分，增加基于柵格地圖實(shí)時(shí)軌跡顯示部分。移植到普通嵌入式開(kāi)發(fā)板后的ORB-SLAM，不僅大大降低了對(duì)硬件平臺(tái)的要求，還完成了基于柵格地圖的實(shí)時(shí)軌跡顯示，使地圖能清晰了然地反映實(shí)際環(huán)境的布局情況，且所建地圖控制在較高精度范圍內(nèi)。

1ORB-SLAM改進(jìn)與優(yōu)化

　　1.1總設(shè)計(jì)流程的改進(jìn)

　　本文將原PC端Linux系統(tǒng)下的ORBSLAM進(jìn)行了移植和改進(jìn)，最終在Android平臺(tái)完成了基于柵格地圖的軌跡繪制即完成了實(shí)時(shí)地圖構(gòu)建，改進(jìn)后的總設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

　　在上述流程圖模塊中，本文主要修改的部分是：修改所保留的ORB-SLAM原src和include文件夾下的C++代碼；在LOCAL MAPPING部分中進(jìn)行了大部分刪減，只做優(yōu)化部分；刪除了原實(shí)時(shí)點(diǎn)云及軌跡顯示部分，在嵌入式平臺(tái)添加GRID MAP部分即基于柵格地圖的實(shí)時(shí)軌跡顯示部分。

　　1.2ORB-SLAM源碼的修改

　　ORB-SLAM算法的實(shí)現(xiàn)主要在src和include文件夾下,完成追蹤、地圖構(gòu)建、閉環(huán)控制和重定位等任務(wù)。本文對(duì)源碼所作的修改工作主要有：刪除MapDrawer.cc和Viewer.cc代碼即刪除軌跡、點(diǎn)云圖顯示部分的代碼；刪除Linux下依賴(lài)復(fù)雜的ROS系統(tǒng)部分的代碼；更換不同系統(tǒng)下的OpenCV、g2o、DBoW2、Eigen等庫(kù)；修改輸入接口，以便直接連接攝像頭在線(xiàn)使用；注釋掉部分代碼，包含保存當(dāng)前幀圖片、點(diǎn)云的代碼等。

　　1.3LOCAL MAPPING部分的改進(jìn)

　　LOCAL MAPPING線(xiàn)程用于處理新的幀，更新優(yōu)化它們本地鄰近的幀。它對(duì)關(guān)鍵幀作確定新的地圖云點(diǎn)、更新局部區(qū)域、局部偏差調(diào)整、去除冗余關(guān)鍵幀等工作。LOCAL MAPPING在整個(gè)系統(tǒng)中耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，其平均處理每關(guān)鍵幀要用時(shí)約385 ms，而像TRACKING平均處理每幀只要約30 ms。考慮到一方面LOCAL MAPPING相對(duì)耗時(shí)，一方面這部分作刪減后精度不會(huì)受到很大影響，這為移植到嵌入式平臺(tái)提供了一個(gè)可行之處。所以本文對(duì)LOCAL MAPPING部分中的Triangulate ORB、Update Local Area、Prune Redundant KeyFrame進(jìn)行了刪減，只做優(yōu)化部分，主要部分的設(shè)計(jì)如圖2所示。

　　1.4GRID MAP部分的設(shè)計(jì)

　　機(jī)器人地圖包括幾何地圖、點(diǎn)云地圖、拓?fù)涞貓D和柵格地圖等，其中原ORBSLAM采用點(diǎn)云地圖來(lái)表示，其所構(gòu)建的點(diǎn)云圖中點(diǎn)云很稀疏，完全不能看出任何結(jié)構(gòu)。而柵格地圖將環(huán)境分解成一系列具有二值信息的網(wǎng)格單元，對(duì)環(huán)境描述直觀清晰，適當(dāng)調(diào)整柵格的大小既可以降低存儲(chǔ)消耗，又保留環(huán)境的空間結(jié)構(gòu)，同時(shí)也便于后續(xù)路徑規(guī)劃過(guò)程中進(jìn)行碰撞檢測(cè)和空間可行性分析，所以本文去除點(diǎn)云圖表示法而改用柵格地圖表示法。本文采用的柵格地圖用黑格表示障礙物，白格表示無(wú)障礙物可通過(guò)區(qū)。GRID MAP主要部分的設(shè)計(jì)如圖3所示。

　　由設(shè)計(jì)圖3可知，本文設(shè)計(jì)的顯示端顯示三個(gè)部分：一是USE_CAMERA_INPUT，顯示攝像頭采集到的當(dāng)前圖像，未經(jīng)過(guò)任何處理；二是DRAW_FRAME，對(duì)當(dāng)前圖像幀進(jìn)行3D ORB特征點(diǎn)的提取與匹配，并在窗口顯示特征點(diǎn)追蹤情況；三是DRAW_GRID_MAP，繪制最終處理后的所有KeyFrames，追蹤當(dāng)前KeyFrames和CameraCenter。采用柵格地圖表示法將各KeyFrames用線(xiàn)連起來(lái)，繞室內(nèi)全覆蓋運(yùn)行即可完成最終室內(nèi)地圖的繪制，地圖以矢量形式存儲(chǔ)供移動(dòng)機(jī)器人合理規(guī)劃路徑和重定位之用。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　2.1實(shí)驗(yàn)硬件配置對(duì)比

　　實(shí)驗(yàn)硬件配置為PC和自制的移動(dòng)機(jī)器人模型，其中移動(dòng)機(jī)器人模型主要用到的模塊有基于Android平臺(tái)的開(kāi)發(fā)板、單目攝像頭、電機(jī)，PC和開(kāi)發(fā)板參數(shù)如表1所示。PC系統(tǒng)擁有很強(qiáng)的運(yùn)算能力，但通常只用到小部分，倘若用于機(jī)器人開(kāi)發(fā)而配置一個(gè)PC，不僅眾多未開(kāi)發(fā)資源被浪費(fèi)，且其在購(gòu)買(mǎi)成本、功耗性、便攜性、集成性方面都具有較大劣勢(shì)。而嵌入式開(kāi)發(fā)板具有低功耗、低成本、適當(dāng)?shù)腃PU運(yùn)算效能與友善的軟件接口等優(yōu)點(diǎn)，被稱(chēng)之為低價(jià)計(jì)算機(jī)。對(duì)比表1參數(shù)，將ORBSLAM從PC移植到嵌入式開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)，則大大降低了對(duì)硬件配置的要求，成本、功耗也大大降低，縮小了機(jī)器人體積，方便攜帶。

　　實(shí)驗(yàn)選用的單目攝像頭為小蟻攝像頭，采用 “張正友”標(biāo)定法原理，標(biāo)定模板采用包含12×12的正方塊的棋盤(pán)格，每個(gè)棋盤(pán)格大小為30 mm×30 mm，在MATLAB下運(yùn)行程序載入20張不同角度、像素為640×480的棋盤(pán)格圖片進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如表2所示。

　　2.2移植后的ORB-SLAM運(yùn)行結(jié)果分析

　　本文建立的柵格地圖為640×960像素的地圖，占用柵格大小為30，機(jī)器人實(shí)際寬度為0.15 m，如圖4所示，白色部分為移動(dòng)機(jī)器人繞室內(nèi)一圈的軌跡，完整柵格地圖即為移動(dòng)機(jī)器人繞室內(nèi)全覆蓋移動(dòng)，最終白色部分表示可通過(guò)區(qū)，黑色部分表示障礙物區(qū)。由表3可知，地圖軌跡點(diǎn)與實(shí)際標(biāo)定點(diǎn)的誤差最大為0.539 m，其軌跡誤差一般能控制在±0.5 m的較小范圍內(nèi)，約為地圖尺寸的0.78%，相比原PC Linux系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軌跡誤差約為地圖尺寸的1%，誤差并未擴(kuò)大反而有所縮小，即定位精度得到提高。

　　圖5為修改前所構(gòu)建的點(diǎn)云圖，圖中軌跡由相機(jī)位姿估計(jì)點(diǎn)構(gòu)成，左下圖為相機(jī)實(shí)時(shí)采集的圖像并對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行提取與匹配。圖6為修改后所構(gòu)建的柵格地圖，左上圖為相機(jī)采集的原圖，左下圖為特征點(diǎn)提取與匹配圖，右圖為柵格地圖。首先從占存量對(duì)比分析，移動(dòng)機(jī)器人按同樣路線(xiàn)繞室內(nèi)一圈構(gòu)建一張1 280×960的地圖，原Linux系統(tǒng)運(yùn)行的ORB-SLAM所建的點(diǎn)云圖占存量約為4 940 KB，而移植后的柵格地圖占存約98 KB，相差大約50倍的耗存量，可見(jiàn)使用柵格地圖表示法在節(jié)約存儲(chǔ)空間上具有非常大的優(yōu)勢(shì)。再?gòu)闹庇^性對(duì)比分析，原Linux系統(tǒng)運(yùn)行的ORB-SLAM所建的點(diǎn)云圖非常稀疏，只含有稀疏的地圖特征點(diǎn)來(lái)構(gòu)成軌跡，看不出實(shí)際空間結(jié)構(gòu)與布局，這稀疏的地圖對(duì)于機(jī)器人下一步的應(yīng)用會(huì)造成很大的困難。而基于柵格地圖繪制的ORBSLAM地圖，每個(gè)柵格可直接映射到現(xiàn)實(shí)環(huán)境的某個(gè)區(qū)域，白格表示已經(jīng)運(yùn)行的可通過(guò)區(qū)，黑格表示障礙物區(qū)，機(jī)器人繞室內(nèi)全覆蓋一次即可直觀地得到布局情況，其所存儲(chǔ)的障礙信息非常便于移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)態(tài)避障以及路徑規(guī)劃。

　　2.4移植前后運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比

　　先對(duì)原ORB-SLAM與移植后ORB-SLAM代碼運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比分析，本文移植過(guò)程中在同一臺(tái)PC上安裝了WIN7+Ubuntu雙系統(tǒng)用于開(kāi)發(fā)ORB-SLAM，將ORB-SLAM代碼在同一臺(tái)PC上運(yùn)行，原Linux系統(tǒng)CPU占用率高達(dá)約180%，移植到WIN7后CPU占用率約48%，可知原ORB-SLAM因?yàn)橐蕾?lài)一些Linux系統(tǒng)自帶庫(kù)使運(yùn)行速度得到限制。再對(duì)LOCAL MAPPING部分運(yùn)行速率進(jìn)行對(duì)比，原ORB-SLAM的LOCAL MAPPING部分主要包含KeyFrame Insertion、Map Point Cullin、Map Point Creation、Local BA、KeyFrame Culling，總體運(yùn)行時(shí)間約為464.27 ms。優(yōu)化后，通過(guò)減小與字典的匹配次數(shù)，減小關(guān)鍵幀重新計(jì)算的次數(shù)，將總體運(yùn)行時(shí)間提高到約280.50 ms，刪減ORB-SLAM的LOCAL MAPPING部分速率得到40%的提升，較大程度地簡(jiǎn)化了移植工作。

　　3結(jié)論

　　本文提出并實(shí)現(xiàn)了將ORB-SLAM通過(guò)改進(jìn)與優(yōu)化，最終移植到嵌入式開(kāi)發(fā)板完成SLAM過(guò)程，CPU占用率和運(yùn)行速率得到提升，大大降低了硬件成本和配置要求。針對(duì)原點(diǎn)云圖太稀疏無(wú)法滿(mǎn)足移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃要求的問(wèn)題，改用柵格地圖表示法，從而使地圖占存量縮小了約98%，且更直觀地反映了實(shí)際環(huán)境的布局情況。通過(guò)移植，最終的軌跡誤差一般能控制在±0.5 m的較小范圍內(nèi)，相比原軌跡誤差得到了縮小。這種改進(jìn)技術(shù)不只適用于移動(dòng)機(jī)器人，同樣也適用于像VR/AR那樣需要用到嵌入式開(kāi)發(fā)板來(lái)完成定位的技術(shù)領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ RAU＇L M A, MONTIEL  J M M, TARD-S J D. ORB-SLAM: a versatile and accurate monocular SLAM system［J］. IEEE Transactions on Robotics, 2015,31(5): 1147-1163.［2］RAU＇L M A, TARDS J D. Probabilistic semi-dense mapping from highly accurate feature-based monocular SLAM［C］. Robotics: Science and Systems， 2015.

　?。?］ RAU＇L M A, TARD-S J D. ORB-SLAM: tracking and mapping recognizable features［C］. RSS 14 Workshop on Multi VIew Geometry in RObotics (MVIGRO)， 2014.

　　［4］ RAU＇L M A, TARD-S J D. Fast relocalisation and loop closing in keyframe-based SLAM［C］. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), June 2014.

　?。?］ 張彪，曹其新，王雯珊. 使用三維柵格地圖的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃［J］. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2013,47(10): 5761.

　　［6］ 金麗科技.讓嵌入式Linux變身為低價(jià)計(jì)算機(jī)(上)［J］. 電子與電腦,2007,14(5):6164.