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使用gtsam添加OrientedPlane3Factor平面约束因子

news 2025/6/22 11:43:50

在基于地面约束的SLAM优化中，已知的地面信息（如 plan.pcd 文件中的地面模型）可以用作一个先验约束，以帮助优化位姿估计。具体而言，这个过程涉及将地面模型和每个帧的位姿结合，以创建一个因子模型，然后利用该因子模型在图优化过程中约束位姿。

以下是一个简化的工作流程，描述了如何使用已知地面模型对位姿进行优化：

地面模型的提取：
- 从 plan.pcd 文件中提取地面的平面参数。通常，这包括平面方程的法向量和一个偏移量。这可以通过PCL（Point Cloud Library）的平面分割工具如RANSAC实现。
GTSAM因子图初始化：
- 使用GTSAM的因子图模型，比如 NonlinearFactorGraph，以构建整个SLAM问题。
定义地面约束：
- 创建 OrientedPlane3Factor，这个因子将平面模型（提取自 plan.pcd）与每个帧的位姿关联。它定义了地面应该如何与这些位姿对齐。
添加因子到因子图中：
- 将每帧的位姿和对应的 OrientedPlane3Factor 添加到因子图中。这个因子会考虑当前位姿与地面模型之间的偏差，并用来优化位姿。
位姿优化：
- 利用GTSAM中的优化工具（如Levenberg-Marquardt优化器），根据定义的因子图对所有位姿进行优化。过程中的关键是通过地面因子提供的约束减少累积的位姿误差。
结果应用：
- 优化后，新生成的位姿序列会使得每个帧的位姿对齐到地面模型给予的参考系中。通常，这意味着消除由传感器噪声、漂移或累积误差引入的偏差。

通过以上过程，地面模型被用于约束和改善传感器估计的轨迹，提供一个更稳定和准确的位姿方案。通过这种综合约束模式，尤其是在运行中的环境几何形状已知的情况下，能显著提高定位的精度和鲁棒性。

OrientedPlane3Factor 是一种用于约束平面和位姿之间关系的因子，在图优化中用于减少位姿估计的漂移和误差。要理解这个因子如何计算位姿与地面模型之间的偏差，我们需要深入了解其工作机制和数学基础。

示例：

在slam中对一系列点云帧添加地平面约束，我们需要对每一帧都进行地面平面的提取，然后利用GTSAM来添加 OrientedPlane3Factor。以下是如何实现这一过程的代码示例，它将对1000帧点云进行处理，并对相应的位姿进行优化

#include <gtsam/geometry/OrientedPlane3.h>
#include <gtsam/nonlinear/NonlinearFactorGraph.h>
#include <gtsam/nonlinear/LevenbergMarquardtOptimizer.h>
#include <gtsam/nonlinear/Values.h>
#include <gtsam/slam/PriorFactor.h>
#include <pcl/io/pcd_io.h>
#include <pcl/point_types.h>
#include <pcl/ModelCoefficients.h>
#include <pcl/sample_consensus/method_types.h>
#include <pcl/sample_consensus/model_types.h>
#include <pcl/segmentation/sac_segmentation.h>
#include <iostream>
#include <string>// Function to extract plane coefficients from a PCD file
Eigen::Vector4f extractPlaneCoefficients(const std::string& file_path) {pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr cloud(new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>);if (pcl::io::loadPCDFile<pcl::PointXYZ>(file_path, *cloud) == -1) {PCL_ERROR("Couldn't read file %s\n", file_path.c_str());exit(-1);}pcl::ModelCoefficients::Ptr coefficients(new pcl::ModelCoefficients);pcl::SACSegmentation<pcl::PointXYZ> seg;seg.setOptimizeCoefficients(true);seg.setModelType(pcl::SACMODEL_PLANE);seg.setMethodType(pcl::SAC_RANSAC);seg.setDistanceThreshold(0.01);pcl::PointIndices::Ptr inliers(new pcl::PointIndices);seg.setInputCloud(cloud);seg.segment(*inliers, *coefficients);if (coefficients->values.size() != 4) {PCL_ERROR("Could not estimate a planar model for the given dataset.\n");exit(-1);}return Eigen::Vector4f(coefficients->values[0], coefficients->values[1], coefficients->values[2], coefficients->values[3]);
}int main() {// Assume poses is an array that holds the pose of each frame obtained from SLAMstd::vector<gtsam::Pose3> poses(1000);// Initialize the poses here or from your SLAM results. This is just a placeholder.for (int i = 0; i < 1000; ++i) {poses[i] = gtsam::Pose3(); // Replace with initial poses}// Create a factor graphgtsam::NonlinearFactorGraph graph;// Initialize valuesgtsam::Values initial;// Create a noise model for the plane factorauto noiseModel = gtsam::noiseModel::Isotropic::Sigma(3, 0.1);for (int i = 0; i < 1000; ++i) {// Extract plane coefficients for the ith point cloudstd::string file_path = "path/to/cloud/plane_" + std::to_string(i) + ".pcd";Eigen::Vector4f planeCoefficients = extractPlaneCoefficients(file_path);// Convert to GTSAM's OrientedPlane3gtsam::OrientedPlane3 groundPlane(planeCoefficients.head<3>(), planeCoefficients[3]);// Add the OrientedPlane3Factor for each posegraph.emplace_shared<gtsam::PriorFactor<gtsam::OrientedPlane3>>(i, groundPlane, noiseModel);// Insert the corresponding initial pose into the valuesinitial.insert(i, poses[i]);}// Optimize the graphgtsam::LevenbergMarquardtOptimizer optimizer(graph, initial);gtsam::Values result = optimizer.optimize();// Retrieve and print the optimized posesfor (int i = 0; i < 1000; ++i) {gtsam::Pose3 optimizedPose = result.at<gtsam::Pose3>(i);std::cout << "Optimized Pose " << i << ": " << optimizedPose << std::endl;}return 0;
}

OrientedPlane3和OrientedPlane3Factor

OrientedPlane3:
- 描述: 这是GTSAM中用于表示三维空间中平面的一种数据结构。一个平面通常通过其法向量 ( \mathbf{n} = (a, b, c) ) 以及距离原点的距离 ( d ) 来定义。
- 平面方程: ( ax + by + cz + d = 0 )
OrientedPlane3Factor:
- 作用: 这个因子将一个 OrientedPlane3 与一个 Pose3 (三维位姿) 联系起来，用于检查位姿在优化过程中是否遵循平面约束。
- 目的: 确保优化后的位姿（例如相机或激光雷达的位姿）在空间中保持与已知平面之间的几何关系。

计算位姿与地面偏差

OrientedPlane3Factor 的目的在于计算当前位姿（如相机或激光雷达的坐标系）与定义的地面模型之间的几何误差，并将此误差用于优化流程中。

误差计算:
- 当一个 Pose3 被应用到一个 OrientedPlane3 时，计算的目标是看看变换后的平面与其在地图坐标系中记录的模型间的差异。
- 这个误差可以看作是在当前位姿下，地图中的平面和传感器估计平面间的距离或角度偏差。
误差方程:
优化目标:
- 在图优化期间，OrientedPlane3Factor 被用来引导优化算法最小化以上误差。利用Levenberg-Marquardt等非线性优化方法，逐步调整各关键帧位姿，使得增量误差不断降低。