[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號(hào)]在談及自動(dòng)駕駛時(shí)，經(jīng)常會(huì)聽SLAM這項(xiàng)技術(shù)。SLAM，即“Simultaneous Localization And Mapping”的縮寫，中文稱為“同時(shí)定位與建圖”。SLAM可以解決一個(gè)非常關(guān)鍵的問題，那就是讓一個(gè)移動(dòng)設(shè)備在未知環(huán)境中，一邊構(gòu)建周圍的地圖，一邊確定自己在該地圖中的位置。這個(gè)過程好比一邊行走、一邊描繪地圖，同時(shí)實(shí)時(shí)標(biāo)注自己的位置。

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在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，SLAM不是某一個(gè)特定算法，而是一套完整的技術(shù)框架與工程體系，其中涵蓋傳感器、狀態(tài)估計(jì)、特征提取、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、后端優(yōu)化等多個(gè)環(huán)節(jié)。其通常會(huì)結(jié)合里程計(jì)、慣性測(cè)量單元（IMU）、攝像頭或激光雷達(dá)等傳感器，并借助圖優(yōu)化或?yàn)V波方法，持續(xù)優(yōu)化定位結(jié)果與地圖信息。

SLAM可以完成的兩大核心任務(wù)就是定位與建圖。定位負(fù)責(zé)估計(jì)設(shè)備在空間中的位置與姿態(tài)，建圖則將感知到的環(huán)境信息組織為可用于導(dǎo)航的地圖形式。雖然兩者可分頭進(jìn)行，但SLAM則可以讓它們的同步與互動(dòng)，即通過已有地圖提升定位精度，又通過新觀測(cè)持續(xù)更新地圖，從而形成一個(gè)自我增強(qiáng)的閉環(huán)系統(tǒng)。

SLAM在自動(dòng)駕駛中的具體作用

對(duì)于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)來說，SLAM可以在缺乏先驗(yàn)地圖或環(huán)境未知的場(chǎng)景中，提供實(shí)時(shí)定位與環(huán)境建模能力，使車輛具備一定的自主運(yùn)行能力；還可以在已有高精度地圖與實(shí)際情況出現(xiàn)偏差時(shí)，實(shí)現(xiàn)在線修正，避免因自動(dòng)駕駛汽車完全依賴離線地圖所帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

不同駕駛場(chǎng)景對(duì)SLAM的需求其實(shí)是不同的。像是在低速城市道路或封閉園區(qū)中，視覺或激光SLAM能夠構(gòu)建精細(xì)的局部地圖，輔助車輛識(shí)別車道線、靜態(tài)障礙物等細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)；但在高速場(chǎng)景中，SLAM更多用于與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)互補(bǔ)，提供短時(shí)、高頻的位置補(bǔ)償，提升系統(tǒng)的連續(xù)性與魯棒性。

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此外，SLAM也可以在感知與定位模塊之間建立起關(guān)鍵連接。感知模塊識(shí)別物體、判斷可行駛區(qū)域，而SLAM負(fù)責(zé)將這些信息置于統(tǒng)一的時(shí)空坐標(biāo)系中，形成穩(wěn)定、可復(fù)用的環(huán)境表達(dá)。規(guī)劃與控制模塊依賴準(zhǔn)確的位姿與地圖信息來做出決策，若沒有SLAM的支持，在GPS信號(hào)不佳的區(qū)域，車輛就容易出現(xiàn)定位漂移，影響行駛安全。

SLAM還增強(qiáng)了自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的冗余與容錯(cuò)能力。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通常會(huì)融合GNSS、IMU、輪速里程計(jì)以及視覺或激光SLAM來進(jìn)行定位，如果在某一類傳感器出現(xiàn)故障或信號(hào)丟失時(shí)，其他傳感器能夠接替工作，降低因單一組件失效導(dǎo)致整體定位失敗的風(fēng)險(xiǎn)。因此，SLAM不應(yīng)被簡(jiǎn)單視作一個(gè)獨(dú)立算法，而是定位系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵組成部分。

常見的SLAM實(shí)現(xiàn)方式與傳感器配合

實(shí)現(xiàn)SLAM的技術(shù)路徑多樣，需要考慮具體場(chǎng)景、成本、計(jì)算資源與精度要求等。從傳感器類型出發(fā)，主流方案包括視覺SLAM、激光SLAM、雷達(dá)SLAM，以及多傳感器融合SLAM。

視覺SLAM主要依賴攝像頭，優(yōu)勢(shì)在于成本低、信息豐富，能夠捕捉顏色與紋理，適合語義理解與細(xì)節(jié)識(shí)別，但對(duì)光照變化、天氣條件較為敏感。激光SLAM基于激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不易受光照影響，幾何結(jié)構(gòu)清晰且具備準(zhǔn)確測(cè)距能力，常用于構(gòu)建高精度三維地圖，不過硬件成本與計(jì)算開銷較高。毫米波雷達(dá)在惡劣天氣中表現(xiàn)穩(wěn)定，并能檢測(cè)高速移動(dòng)物體，通常作為輔助傳感器，較少單獨(dú)用于建圖。

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從后端算法來看，SLAM可以分為基于濾波和基于圖優(yōu)化這兩大類。像是擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）這類基于濾波的方法，適合在線實(shí)時(shí)估計(jì)，計(jì)算效率高，但跑的時(shí)間一長(zhǎng)，誤差容易累積起來。而基于圖優(yōu)化的方法，則是把各種觀測(cè)數(shù)據(jù)和回環(huán)約束都建成一張“圖”，然后通過整體優(yōu)化來保證全局一致性。它最拿手的就是通過回環(huán)檢測(cè)來修正長(zhǎng)期漂移，但缺點(diǎn)是比較耗費(fèi)計(jì)算和存儲(chǔ)資源�，F(xiàn)階段，很多技術(shù)方案中會(huì)把兩者結(jié)合起來，取長(zhǎng)補(bǔ)短，讓前端濾波器保證實(shí)時(shí)輸出，同時(shí)讓后端圖優(yōu)化去默默處理關(guān)鍵幀和回環(huán)校正。

多傳感器融合是提升SLAM性能與魯棒性的關(guān)鍵。IMU可提供高頻姿態(tài)變化，在視覺或激光數(shù)據(jù)短暫缺失時(shí)維持運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)；輪速里程計(jì)提供相對(duì)位移估計(jì)；GNSS則提供絕對(duì)位置參考。將這些信息在時(shí)間同步與誤差建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行融合，能顯著增強(qiáng)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)能力。近年來，語義信息在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的引入也日益受到重視，通過識(shí)別如路燈、建筑轉(zhuǎn)角等穩(wěn)定要素，SLAM能將臨時(shí)動(dòng)態(tài)物體納入地圖，從而提升地圖的語義質(zhì)量與長(zhǎng)期可用性。

SLAM應(yīng)用的挑戰(zhàn)

想把SLAM技術(shù)應(yīng)用到實(shí)車環(huán)境中，其實(shí)要考慮非常多的問題。首當(dāng)其沖的是動(dòng)態(tài)環(huán)境帶來的干擾，傳統(tǒng)SLAM默認(rèn)周圍是靜止的，但真實(shí)路況中車輛、行人不斷移動(dòng)，很容易污染地圖、帶偏定位。對(duì)此可以對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和剔除，或者把它們單獨(dú)建模，不讓這些“臨時(shí)特征”影響靜態(tài)地圖的構(gòu)建。

除了動(dòng)態(tài)物體，環(huán)境條件的變化也會(huì)直接影響傳感器，視覺系統(tǒng)在強(qiáng)光、陰影或夜晚容易失效，激光雷達(dá)則在雨雪中點(diǎn)云質(zhì)量下降。這就要求自動(dòng)駕駛系統(tǒng)具備多傳感器自適應(yīng)能力，能根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量動(dòng)態(tài)調(diào)整各傳感器的權(quán)重，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)降級(jí)和功能互補(bǔ)。

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還有一個(gè)繞不開的問題就是尺度不確定與漂移累積。單目視覺SLAM本身無法確定真實(shí)尺度，需要借助IMU或里程計(jì)來校正；而在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中，即便很小的誤差也會(huì)逐漸積累，造成定位明顯偏離。這時(shí)候要依賴回環(huán)檢測(cè)來修正漂移，但回環(huán)本身又受制于場(chǎng)景識(shí)別與匹配的準(zhǔn)確性。因此，通常結(jié)合視覺與激光的回環(huán)信息，并配合關(guān)鍵幀選擇與地圖管理機(jī)制，在精度和計(jì)算負(fù)載之間取得平衡。

實(shí)時(shí)性與計(jì)算資源更是硬約束。自動(dòng)駕駛對(duì)定位頻率和延遲要求極高，SLAM系統(tǒng)必須在有限算力下完成所有處理。為了保障關(guān)鍵任務(wù)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)，系統(tǒng)常采用諸如特征點(diǎn)稀疏化、局部地圖優(yōu)化與異步后端處理等加速方式。

傳感器之間的時(shí)間同步與外參標(biāo)定也是常見故障來源。微小的時(shí)間偏移或坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差，都可能導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)“對(duì)不上”。因此系統(tǒng)必須支持在線標(biāo)定與健康監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常，就要及時(shí)觸發(fā)重新標(biāo)定或切換至安全模式。

什么時(shí)候要用SLAM？

SLAM并不是在所有自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中都作為核心定位手段。在GPS信號(hào)良好、且具備高精度先驗(yàn)地圖的高速公路等場(chǎng)景，車輛可以主要依賴GNSS、IMU與地標(biāo)匹配進(jìn)行定位，而將SLAM作為備用或局部增強(qiáng)手段。而在隧道、地下車庫、城市峽谷等衛(wèi)星信號(hào)受限的區(qū)域，SLAM則是維持定位連續(xù)性的關(guān)鍵保障。