SLAM là gì? Giải thích định vị và lập bản đồ đồng thời cho người đo đạc

SLAM (định vị và lập bản đồ đồng thời) là gì?

Định vị và lập bản đồ đồng thời là bài toán tính toán dựng bản đồ môi trường chưa biết trong khi theo dõi vị trí cảm biến trên bản đồ cùng lúc. Hai nhiệm vụ phụ thuộc nhau: cần bản đồ để biết mình ở đâu, cần biết vị trí để đặt phép đo mới lên bản đồ. SLAM giải cả hai cùng nhau.

Thuật ngữ từ nghiên cứu robot cuối những năm 1980, 1990, khi robot di động phải đi trong phòng không có mặt bằng. Đôi khi được viết đầy đủ là simultaneous location and mapping, còn Anh-Anh là simultaneous localisation and mapping; cả ba cùng ý tưởng. Nay cùng thuật toán chạy trong robot hút bụi, xe tự hành, drone và, liên quan nhất với chúng ta, máy quét cầm tay, ba lô dùng trắc địa.

Đối với người làm trắc địa, ý nghĩa thực tế rất đơn giản: thiết bị lập bản đồ SLAM cho phép đi qua một tòa nhà, đường hầm hoặc khu rừng và thu được đám mây điểm 3D có thể tham chiếu địa lý, mà không cần dựng chân máy tại từng trạm. Nếu quan tâm đến công việc ngoài hiện trường, hướng dẫn về quét SLAM và lập bản đồ di động của chúng tôi trình bày tuyến di chuyển và lập kế hoạch dự án; bài viết này giải thích những gì diễn ra bên trong thuật toán.

Quá trình định vị và lập bản đồ SLAM hoạt động từng bước như thế nào?

Định vị và lập bản đồ SLAM diễn ra theo một vòng lặp liên tục: dự đoán chuyển động, đo môi trường xung quanh, đối sánh phép đo với bản đồ, cập nhật vị trí và bản đồ, rồi định kỳ hiệu chỉnh toàn bộ quỹ đạo. Quy trình SLAM lidar–quán tính điển hình như sau:

1. Dự đoán chuyển động. IMU gồm gia tốc kế và con quay hồi chuyển đo chuyển động hàng trăm lần mỗi giây, từ đó dự đoán máy quét đã di chuyển đến đâu kể từ khung dữ liệu lidar trước đó.
2. Thu dữ liệu quét. Đầu lidar xoay ghi lại một khung các phép đo khoảng cách xung quanh người vận hành, thường với hàng trăm nghìn điểm mỗi giây.
3. Trích xuất đặc trưng. Phần mềm chọn các đặc trưng ổn định như mặt phẳng (tường, sàn, trần), cạnh và góc, đồng thời loại bỏ vật thể chuyển động khi có thể.
4. Đối sánh bản quét. Khung dữ liệu mới được căn chỉnh với bản đồ cục bộ, lấy dự đoán của IMU làm điểm khởi đầu. Nhờ đó xác định được vị trí và hướng đã tinh chỉnh, gọi chung là tư thế.
5. Cập nhật bản đồ. Các điểm đã căn chỉnh được thêm vào bản đồ, giúp bản đồ mở rộng khi người vận hành di chuyển.
6. Khép vòng. Khi hệ thống nhận ra một vị trí đã được lập bản đồ, nó đo độ sai khác giữa hai lần đi qua.
7. Tối ưu hóa toàn cục. Tối ưu hóa đồ thị tư thế phân bố hiệu chỉnh này ngược dọc toàn bộ quỹ đạo, để bản đồ khép kín chính xác thay vì xuất hiện tường kép.

Các bước 1 đến 5 thường được gọi là khối xử lý đầu vào và chạy theo thời gian thực; bước 6 và 7 là khối tối ưu hóa phía sau. Vì vậy, kết quả SLAM sau xử lý thường sạch hơn bản xem trước trực tiếp.

Các loại SLAM chính là gì?

Hệ thống SLAM được phân nhóm theo cảm biến quan sát môi trường: SLAM lidar, SLAM thị giác hoặc hợp nhất nhiều cảm biến. Lập bản đồ di động cấp độ trắc địa hầu như luôn kết hợp lidar với IMU, vì lidar đo khoảng cách trực tiếp và hoạt động được trong bóng tối.

SLAM 3D là nhóm phù hợp với trắc địa, BIM và khai thác mỏ. SLAM thị giác phổ biến trên điện thoại, kính thực tế tăng cường và robot nhỏ, nhưng hiếm khi được dùng khi khách hàng quy định độ chính xác của đám mây điểm.

SLAM chính xác đến mức nào và nguyên nhân gây trôi là gì?

Một hệ thống SLAM lidar tốt thường đạt độ chính xác tương đối từ 1 đến 3 cm trong môi trường có cấu trúc rõ ràng. Tuy nhiên, sai số tăng theo quãng đường di chuyển nếu không được hiệu chỉnh bằng khép vòng hoặc điểm khống chế. Sai số tích lũy đó được gọi là độ trôi.

Độ trôi xuất phát từ các sai số nhỏ trong từng lần đối sánh bản quét và trong IMU, tích lũy dọc theo quỹ đạo. Nó nghiêm trọng nhất ở những nơi hình học cung cấp ít đặc trưng để thuật toán bám theo:

• hành lang và đường hầm dài, đồng nhất, nơi các khung dữ liệu trông giống nhau dọc theo trục;
• bãi đỗ xe trống, đồng ruộng và mái bằng có ít đặc trưng thẳng đứng;
• buồng thang bộ được đi qua quá nhanh, với các góc rẽ gấp và thay đổi tầm nhìn đột ngột;
• cảnh có nhiều người, xe cộ hoặc cây cối chuyển động trong gió mạnh.

Theo kinh nghiệm của các kỹ sư của chúng tôi, cải thiện độ chính xác lớn nhất đến từ việc lập kế hoạch tuyến khép kín: bắt đầu và kết thúc tại cùng một vị trí, đồng thời cắt lại tuyến đã đi sau mỗi vài phút. Máy quét laser SLAM cầm tay của chúng tôi có thông số độ dày đám mây điểm không quá 1 cm sau xử lý và không quá 2 cm theo thời gian thực, với phạm vi từ 0,1 đến 70 m. Hãy xem các con số này là độ chính xác tương đối trong điều kiện tốt; độ chính xác tuyệt đối còn phụ thuộc vào cách liên kết đám mây điểm với điểm khống chế.

Làm thế nào để tham chiếu địa lý cho đám mây điểm SLAM?

Đám mây điểm SLAM được tạo trong hệ tọa độ cục bộ riêng. Để đưa nó vào hệ tọa độ dự án, cần liên kết với các điểm khống chế đã đo. Việc này cũng hạn chế độ trôi trên các tuyến dài.

1. Thiết lập bia hoặc mốc khống chế dọc tuyến bằng máy thu GNSS RTK ngoài trời hoặc máy toàn đạc điện tử trong nhà.
2. Trong lúc quét, dừng tại từng mốc khống chế hoặc quét các bia có thể nhận dạng để phần mềm đánh dấu chúng.
3. Khi xử lý, nhập tọa độ khống chế và thực hiện bình sai quỹ đạo có ràng buộc.
4. Kiểm tra phần dư tại các điểm kiểm tra độc lập không dùng trong bình sai và đưa kết quả vào báo cáo.

Quy tắc thực tế chúng tôi hướng dẫn khách hàng là bố trí một điểm khống chế ở đầu và cuối mỗi vòng, cộng thêm khoảng một điểm mỗi 50 đến 100 m trên các tuyến dài dạng đường như đường hầm. Để tìm hiểu các bước ghép đăng ký và làm sạch chung, xem bài viết về xử lý đám mây điểm.

Các ứng dụng chính của định vị và lập bản đồ đồng thời là gì?

Các ứng dụng chính của định vị và lập bản đồ đồng thời gồm dẫn đường cho robot, phương tiện và thu nhận 3D nhanh tại những không gian mà quét bằng chân máy hoặc GNSS chậm hoặc không khả thi. Trong trắc địa và kỹ thuật, các công việc phổ biến gồm:

• Khảo sát công trình và BIM: thu nhận nội thất nhiều tầng, phòng kỹ thuật và trục kỹ thuật trong một lượt đi, sau đó dựng mô hình.
• Khai thác mỏ ngầm và đường hầm: đường lò, khoang khai thác và mặt cắt đường hầm tại nơi không có GNSS.
• Lâm nghiệp: chiều cao cây, đường kính thân và mật độ lâm phần dưới tán rừng.
• Tiến độ xây dựng: đi khảo sát hằng tuần để so sánh phần đã xây với thiết kế.
• Đống vật liệu và nhà kho: đo thể tích trong khu lưu trữ có mái che, liên quan đến hướng dẫn về đo thể tích đống vật liệu.
• Di sản và cơ sở vật chất: lập hồ sơ công trình phức tạp mà không mất nhiều giờ thiết lập trạm máy.

Ngoài trắc địa, SLAM hỗ trợ robot kho hàng, ô tô tự hành, drone giao hàng và thực tế tăng cường, nhưng các ứng dụng tiêu dùng và ô tô này có mục tiêu độ chính xác khác nhau.

SLAM hay quét laser mặt đất: nên sử dụng phương pháp nào?

Dùng SLAM khi tốc độ và phạm vi bao phủ quan trọng hơn độ chính xác đến milimet; dùng máy quét laser mặt đất trên chân máy khi cần độ chính xác và mật độ cao nhất trên từng bề mặt. Nhiều dự án kết hợp cả hai.

Quy trình kết hợp phổ biến là quét các khu vực quan trọng, như mặt đứng hoặc phòng máy, bằng máy quét laser mặt đất tốc độ cao, rồi bổ sung phần còn lại của tòa nhà bằng SLAM và đăng ký cả hai theo cùng hệ điểm khống chế. Bài viết về quét laser mặt đất giải thích chi tiết quy trình tĩnh.

Các lỗi SLAM thường gặp ngoài hiện trường và cách tránh

Phần lớn kết quả SLAM kém đến từ cách di chuyển trên tuyến, không phải phần cứng. SLAM được thiết kế với giả định chuyển động êm và có đủ đặc trưng hình học trong tầm nhìn, nên thói quen làm việc ngoài hiện trường rất quan trọng.

• Đi quá nhanh hoặc rẽ gấp: duy trì tốc độ đi đều và quay chậm tại cửa ra vào, góc tường.
• Đi qua cửa mà không dừng: dừng ngắn tại ngưỡng cửa để máy quét nhìn thấy cả hai phòng.
• Không khép vòng: thiết kế tuyến quay trở lại chính nó; tuyến hở sẽ tích lũy độ trôi.
• Khởi động trong khi di chuyển: khởi tạo máy quét khi đứng yên trong khoảng thời gian nhà sản xuất quy định.
• Bỏ qua điểm khống chế: nếu không có điểm khống chế, không thể kiểm tra đám mây điểm hoặc đưa nó vào hệ tọa độ dự án.
• Phiên đo quá dài: chia địa điểm rất lớn thành các lượt đo có chồng lấn thay vì một hành trình duy nhất quá dài.

Nếu đang đánh giá SLAM có phù hợp với công việc của mình hay muốn so sánh với các máy quét laser 3D khác, hãy xem dòng máy quét laser 3D hoặc yêu cầu báo giá, kèm loại dự án và quy mô địa điểm. Các kỹ sư của chúng tôi sẽ đề xuất cấu hình và phương án khống chế phù hợp.

Câu hỏi thường gặp