隨著自主機(jī)器的發(fā)展，我們可以在生活中經(jīng)常看到自主機(jī)器的應(yīng)用。有傳統(tǒng)應(yīng)用的倉庫工廠 AMR、機(jī)械臂、銀行酒店里面的服務(wù)機(jī)器人、家庭機(jī)器人、無人物流車、自主礦卡等等。不同的自主機(jī)器，軟件架構(gòu)的方案也不一樣，但核心的模塊定位、導(dǎo)航、感知、控制等都是相通的。

定位模塊是自主機(jī)器最核心的模塊之一，定位又包括全局定位和局部定位，對(duì)于自主機(jī)器，其精度需要達(dá)到厘米級(jí)別。

本文我們將討論全局定位，即確定自主機(jī)器在全局下的位置。傳統(tǒng)的低速自主機(jī)器，類似于 AMR 等，其采用的定位方式通常以 SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）的方法進(jìn)行同時(shí)建圖和定位，但是該方法實(shí)現(xiàn)代價(jià)高、難度大，并不適用于室外自主機(jī)器——類似于無人物流車、園區(qū)接駁車等的實(shí)時(shí)高精度定位需求。這些室外自主機(jī)器行駛速度快、距離遠(yuǎn)、環(huán)境復(fù)雜，使得 SLAM 的精度下降，同時(shí)遠(yuǎn)距離的行駛將導(dǎo)致實(shí)時(shí)構(gòu)建的地圖偏移過大。因此，如果在已有高精度的全局地圖的情況下進(jìn)行自主機(jī)器的定位，將極大的簡(jiǎn)化該問題。

因此，將問題分為獨(dú)立的兩部分：建圖 Mapping 和定位 Matching。NDT 是一種點(diǎn)云配準(zhǔn)算法，可同時(shí)用于點(diǎn)云的建圖和定位。

CUDA-NDT

正態(tài)分布變換算法（NormalDistributions Transform, NDT）同 ICP 算法的功能一致，即，用于計(jì)算兩幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的坐標(biāo)變換矩陣，從而能夠使不同的坐標(biāo)下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中。不同的是 NDT 算法對(duì)初值不敏感，且不需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)點(diǎn)的特征計(jì)算，所以速度較快。NDT 算法使用應(yīng)用于 3D 點(diǎn)統(tǒng)計(jì)模型的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化技術(shù)來確定兩個(gè)點(diǎn)云之間最可能的配準(zhǔn)。

NDT 算法和 ICP 算法可以結(jié)合使用，以提高配準(zhǔn)精度和速度。首先，NDT 算法可用于粗配準(zhǔn)，得到轉(zhuǎn)換參數(shù)；然后使用 ICP 算法結(jié)合參數(shù)進(jìn)行精細(xì)配準(zhǔn)。為了改進(jìn) NDT 算法在 NVIDIA Jetson 上的性能，我們推薦使用基于 CUDA 加速的 CUDA-NDT。

使用CUDA-NDT

以下是 CUDA-NDT 的使用實(shí)例。我們需要初始化相關(guān)的類對(duì)象，設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，并調(diào)用接口函數(shù)。

cudaNDT ndtTest(nPCountM, nQCountM, stream);ndtTest.setInputSource(source);ndtTest.setInputTarget(target);ndtTest.setResolution(resolution);ndtTest.setMaximumIterations(nr_iterations);ndtTest.setTransformationEpsilon(epsilon);ndtTest.setStepSize(step_size);    ndtTest.ndt(cloud_source, nPCount,               cloud_target, nQCount, guess,transformation_matrix,stream);

CUDA-NDT 計(jì)算的輸出是 transformation_matrix，代表的含義如下：

• 源點(diǎn)云 (P)* transformation_matrix = 目標(biāo)坐標(biāo)系的點(diǎn)云 (Q)

因?yàn)榧す忸愋偷妮敵鳇c(diǎn)云的數(shù)量為固定值，所以 CUDA-NDT 在輸出化的時(shí)候，要求輸入兩幀點(diǎn)云的最大數(shù)量，從而分配計(jì)算資源。

class cudaNDT{public:    /*       nPCountM and nQCountM are the maximum of count for input clouds       They are used to pre-allocate memory.    */    cudaNDT(int nPCountM, int nQCountM, cudaStream_t stream = 0);    ~cudaNDT(void);void setInputSource (void *source);void setInpuTarget (void *target);void setResolution (float resolution);void setMaximumIterations (int nr_iterations);void setTransformationEpsilon (double epsilon);void setStepSize (double step_size);    /*    cloud_target = transformation_matrix * cloud_source    When the Epsilon of transformation_matrix is less than threshold,    the function will return transformation_matrix.    Input:        cloud_source, cloud_target: data pointer for points cloud        nPCount: the points number of cloud_source        nQCount: the points number of cloud_target        guess: initial guess of transformation_matrix        stream: CUDA stream    Output:        transformation_matrix: rigid transformation matrix    */
    void ndt(float *cloud_source, int nPCount,            float *cloud_target, int nQCount,            float *guess, void *transformation_matrix,            cudaStream_t stream = 0);    void *m_handle = NULL;};

經(jīng)過 CUDA 加速的 NDT 速度對(duì)比微加速版本提升了 4 倍左右，請(qǐng)參考下表的性能對(duì)比，經(jīng)過 NDT 匹配的點(diǎn)云效果對(duì)比請(qǐng)參考圖 1 和圖 2。

CUDA-NDT 與 PCL-NDT 的性能對(duì)比

開始使用CUDA-NDT

我們希望通過本文介紹使用 CUDA-NDT 從而獲得更好的點(diǎn)云注冊(cè)性能。

因?yàn)?NDT 在 NVIDIA Jetson 上無法使用 CUDA 進(jìn)行點(diǎn)云的加速處理，所以我們開發(fā)了基于 CUDA 的 CUDA-NDT。

復(fù)制鏈接，獲得相關(guān)庫和實(shí)例代碼。

https://github.com/NVIDIA-AI-IOT/cuda-pcl/tree/main/cuda-ndt

審核編輯：湯梓紅