從零開始搭二維激光SLAM --- 零基礎(chǔ)如何入門激光SLAM

最近有幾個(gè)人加我，都說是剛開始學(xué)激光slam，基本都是研一，也有一些大四的（大四的都開始學(xué)SLAM了！）。

情況也都差不多，有的是課題組里只有自己做slam，有的是完全沒人帶，有的是完全沒基礎(chǔ)，c++都沒學(xué)過的那種。

這些小白都不知道怎么進(jìn)行學(xué)習(xí)，問了我好多相同的問題，所以我就將我自己的思路整理了一下，也就是這篇文章的由來．

第一部分是我自己的SLAM接觸史，第二部分是為碩士小白入門寫的推薦學(xué)習(xí)路線，第三部分是為了SLAM愛好者入門寫的推薦學(xué)習(xí)路線．

長文，無圖，做好準(zhǔn)備．以下內(nèi)容僅為我自己的觀點(diǎn)，有可能有錯(cuò)誤及不足，望見諒．

1 我的SLAM接觸史

1.1 c++

我也是研一的時(shí)候知道自己課題是SLAM相關(guān)的。

所以就在2016年10月份的時(shí)候開始看 c++ prime plus。之前我沒接觸過編程，就大一時(shí)候上過c語言的課，學(xué)完了也沒記得什么，之后也沒再碰過代碼。

這時(shí)候還不知道咋編代碼，咋運(yùn)行程序，所以 c++ prime plus 就是光看，沒去實(shí)際編代碼。

1.2 ubuntu

到了2017年3月，課題正式確定，《基于SLAM的室內(nèi)移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)研究》。

經(jīng)過同學(xué)的幫助，幫我裝了人生第一個(gè)雙系統(tǒng)，ubuntu1404，開始正式接觸linux系統(tǒng)。

1.3 ROS

之后邊學(xué)ubuntu的命令行（簡單教程），邊去學(xué)ROS ，ROS的wiki地址為 wiki.ros.org。

ROS的wiki上的知識實(shí)在是太多了，有太多太多的網(wǎng)頁跳轉(zhuǎn)，導(dǎo)致我花了太多的時(shí)間用在逛wiki上，當(dāng)時(shí)存了30多個(gè)書簽等著我一個(gè)一個(gè)的去看。

其實(shí)只要學(xué)完 Beginner Level 的教程就可以了，這個(gè)之后詳細(xì)說明。

1.4 ROS By Example 1

之后去看了這本書《ros by example 1》，這本書對我來說真的非常重要，讓我跑通了第一個(gè)ros的demo，十分有成就感。

這本書有配套的代碼，可以直接運(yùn)行，照著書中的步驟一步一步運(yùn)行即可。學(xué)了這么久，通過這本書里的例子，終于在rviz中看到了turtlebot，并讓機(jī)器人成功的動起來了，真是非常有成就感的一件事。

1.4 概率機(jī)器人

忘記了看這本書的具體時(shí)間了，只記得實(shí)驗(yàn)室里有這本書，然后我實(shí)習(xí)的時(shí)候借去看了一遍。這本書真的是很厲害，里邊有關(guān)于機(jī)器人定位與建圖的所有概念和公式。

強(qiáng)烈建議入門的時(shí)候不要讀這本書，不要讀，不要讀。

因?yàn)楫?dāng)時(shí)我看完了一遍，真是一點(diǎn)都沒理解，也一點(diǎn)沒記住。這本書就是現(xiàn)在的我來看，也有很多不理解，讀不懂的地方，更別說剛?cè)腴T的小白了。

1.5 小強(qiáng)機(jī)器人

之后，我去公司實(shí)習(xí)，實(shí)習(xí)的時(shí)候有個(gè)機(jī)器人可以讓我玩，小強(qiáng)機(jī)器人。這是第一次弄機(jī)器人，也是第一次在機(jī)器人上操作ROS。

實(shí)踐ROS與操作機(jī)器人大概花費(fèi)了我至少2個(gè)月的時(shí)間。時(shí)間很長，因?yàn)榭赡芡蝗怀霈F(xiàn)有些問題導(dǎo)致你卡住，進(jìn)行不下去了。

記得很清楚，在筆記本上rviz點(diǎn)擊下發(fā)move_base的目標(biāo)點(diǎn)，機(jī)器人始終不動，這個(gè)問題卡了我2周的時(shí)間。原因是沒有在機(jī)器人里的/etc/hosts里添加筆記本的ip。。。

所以，如果你課題組里只有自己做SLAM或者機(jī)器人相關(guān)，一定要多加幾個(gè)社群，qq群也好，微信群也好，一定不要自己一個(gè)人去研究．有很多小問題在別人那只是一句話就能解決的事，自己研究可能就要耽誤2周甚至更長的時(shí)間。而且，現(xiàn)在做社群的有很多，搜索也很容易找到。

1.6 cartographer

再之后，17年12月份開始，到18年1月份，弄了將近1個(gè)月如何使用carographer。弄懂如何跑demo之后，又開始學(xué)如何修改launch文件，如何寫urdf。

再之后，就是做導(dǎo)航相關(guān)的了。

回顧這一年的時(shí)間，由于沒人帶真是走了挺多彎路，學(xué)習(xí)也沒有抓住重點(diǎn)。當(dāng)然，學(xué)過的所有知識都不是無用的，只是沒到需要用的時(shí)間而已。同時(shí)，由于之前基礎(chǔ)打的牢，學(xué)的多，所以現(xiàn)在我對ROS相關(guān)的理解非常深刻，操作也很流暢。

接下來，我將我認(rèn)為的入門需要學(xué)的最重要的東西以及流程寫下來，希望可以幫助小白們知道如何學(xué)習(xí)SLAM，以及如何做SLAM相關(guān)的科研。

2 碩士小白做激光SLAM相關(guān)課題的學(xué)習(xí)路線

碩士同學(xué)如果課題是SLAM相關(guān)的，該如何盡快入門呢？課題組只有自己一個(gè)做SLAM的該怎么辦呢？

不要慌。目前大部分做SLAM的幾乎都是自學(xué)的，即使是課題組有其他做SLAM的也只能是讓自學(xué)的速度更快一點(diǎn)而已，因?yàn)橹R始終是要自己理解了之后才能成為自己的。多加幾個(gè)社群多交流，也是一樣的．

2.1 第一步：雙系統(tǒng)

我認(rèn)為的第一步就是先要裝個(gè)雙系統(tǒng)，windows+ubuntu ，不建議使用虛擬機(jī)，虛擬機(jī)本身會有很多問題，小白根本不知道出現(xiàn)的問題是虛擬機(jī)本身的問題還是環(huán)境沒弄好導(dǎo)致的問題。相信每個(gè)做SLAM的都自己裝過不下1遍的雙系統(tǒng)。

因?yàn)閡buntu系統(tǒng)不是十分健壯，有時(shí)候裝環(huán)境，裝驅(qū)動尤其是顯卡驅(qū)動，很可能就把系統(tǒng)弄壞了。有時(shí)候強(qiáng)制關(guān)機(jī)也會導(dǎo)致進(jìn)不去系統(tǒng)。

由于每個(gè)人的電腦配置不一樣，導(dǎo)致裝雙系統(tǒng)的時(shí)候會出現(xiàn)各種小問題，花時(shí)間都是可以解決的。

裝雙系統(tǒng)這一階段大概花費(fèi) 1天到2周 不等的時(shí)間。

2.2 第二步：ubuntu的基礎(chǔ)指令

這一步很簡單，只要稍微學(xué)習(xí)下ubuntu的最基礎(chǔ)的指令就可以了，可以照著這個(gè)簡單教程進(jìn)行學(xué)習(xí)，也可以在b站中找視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)。

一定要記住，剛開始只需要學(xué)習(xí)最基礎(chǔ)的指令就夠了，如 如何打開終端，如何復(fù)制移動文件，如何新建文件夾等等。

不要學(xué)的太多，像shell編程，腳本編寫執(zhí)行等等。很多知識是會在以后的使用中，邊學(xué)邊查就夠了，不要第一時(shí)間全都去學(xué)，基礎(chǔ)不夠的情況學(xué)了再多也不一定能理解和記住。

這一階段會花費(fèi) 1天到1周 不等的時(shí)間。

2.3 第三步：學(xué)習(xí)ROS

2.3.1 為什么要學(xué)ROS

ROS最大的貢獻(xiàn)就是為機(jī)器人相關(guān)的開發(fā)者，統(tǒng)一了接口與操作方式。讓開發(fā)者可以聚焦于上層的算法設(shè)計(jì)，不用每個(gè)人都去重復(fù)的去做通訊，驅(qū)動等底層的搭建。同時(shí)，ros中也提供了能讓各種傳感器數(shù)據(jù)可視化的軟件Rviz，以及查看各個(gè)節(jié)點(diǎn)的關(guān)系可視化圖等特別好用的工具。

而且，目前的激光SLAM，不管是二維的還是三維的，幾乎都是使用ROS的接口編寫的，不會用ROS你就不會啟動SLAM。所以，ROS是必須要學(xué)的。

2.3.2 安裝ROS

安裝ROS網(wǎng)上有太多的教程，這里就不再說明了，一般照著ROS wiki的 安裝教程 一步一步安裝都會成功的。

2.3.3 怎么學(xué)ROS

ROS的wiki網(wǎng)站(ros.wiki.org)里有幾乎所有關(guān)于ROS的教程與信息，在學(xué)習(xí)ROS的時(shí)候，最好直接看wiki上的內(nèi)容，不要去找一些其他網(wǎng)站翻譯之后的內(nèi)容，這里的英文很簡單，一般都能直接看懂。

能找到的翻譯過的文章大都只是簡單的進(jìn)行翻譯與復(fù)制，不一定準(zhǔn)確不說，往往都是只翻譯一個(gè)章節(jié)或者一小部分，會讓人學(xué)的不夠全面與透徹。

2.3.3.1 ROS Tutorials Beginner Level

首先要照著ROS的官方教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，也就是 ROS Tutorials 的 Beginner Level 內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，一定要保證每個(gè)章節(jié)都弄懂，保證每個(gè)章節(jié)的內(nèi)容都自己跟著實(shí)踐過不止1次。只有自己實(shí)際操作之后，才能真正的理解，光看是看不會的！

這20個(gè)章節(jié)真的非常重要，有的時(shí)候我也會去再重溫一下這20個(gè)章節(jié)的內(nèi)容，這真的是使用ROS的最核心的內(nèi)容，一定要好好學(xué)習(xí)，要真正的學(xué)會，理解。

這一階段大概花費(fèi) 2周到3周 的時(shí)間。

2.3.3.2 launch文件

學(xué)完了初級教程之后，先不要去學(xué)中級教程以及其他的教程，因?yàn)槠渌慕坛淌嵌虝r(shí)間內(nèi)用不到的。ROS Tutorials中有2個(gè)常用的知識點(diǎn)沒有說，一個(gè)是用于啟動多個(gè)節(jié)點(diǎn)的roslaunch命令與launch文件，另一個(gè)是URDF模型。

launch文件的語法可以去wiki上學(xué)一下http://wiki.ros.org/roslaunch.

wiki上的內(nèi)容很多，可以不用全部學(xué)，要學(xué)的只有2個(gè)，一個(gè)是如果使用roslaunch命令啟動launch文件，命令的格式如下所示

roslaunch package_name file.launch

另一個(gè)是launch文件的XML語法 http://wiki.ros.org/roslaunch/XML。

launch文件的具體教學(xué)可以在百度里搜一搜，也可以在任意一個(gè)ros的包中查看launch文件的具體內(nèi)容。

這一階段最多花費(fèi) 1天 的時(shí)間。

2.3.3.3 URDF

URDF是用來描述傳感器坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系間的物理關(guān)系的，也就是坐標(biāo)變換。

wiki上有更詳細(xì)的介紹：http://wiki.ros.org/urdf ，也有對應(yīng)的教程 http://wiki.ros.org/urdf/Tutorials.

這個(gè)文件可能第一次看感覺很復(fù)雜，又是一種新的語言格式，但是其內(nèi)容模式是固定的，只需要大段的復(fù)制，簡單的更改其中的坐標(biāo)系名字與對應(yīng)的坐標(biāo)變換的具體數(shù)值，即可完成自己機(jī)器人的URDF模型的搭建。

如果沒看明白完全沒有關(guān)系，因?yàn)榇蟛糠諷LAM算法已經(jīng)編寫好了對應(yīng)的URDF模型，你理解了URDF的概念也是完全可以的，以后再來弄清楚。

這其中可能涉及到一些TF的知識，可以暫時(shí)不用管他，只要知道這是ROS幫助我們管理傳感器坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系間坐標(biāo)變換關(guān)系的即可。TF也是十分必要的，是之后的必學(xué)項(xiàng)

這一階段最多花費(fèi) 1天 的時(shí)間。

2.4 第四步：試著跑通現(xiàn)有的SLAM算法

如果一切順利的話，學(xué)到這差不多花費(fèi)一個(gè)月的時(shí)間，如果你學(xué)的快的甚至不需要一個(gè)月的時(shí)間。

下一階段為嘗試在ROS下跑通現(xiàn)有的SLAM算法。

如果你是做二維的激光SLAM，建議優(yōu)先跑通 gmapping ，因?yàn)檫@個(gè)SLAM算法網(wǎng)上能找到的教程非常多。對應(yīng)的數(shù)據(jù)bag文件（bag會在 ROSTutorials 中學(xué)到）可以在 http://download.ros.org/data/gmapping/ 中獲取。

如果是做三維的激光SLAM，建議優(yōu)先跑通LOAM，這個(gè)SLAM的數(shù)據(jù)包及如何運(yùn)行的教程網(wǎng)上也是非常多。

在跑demo的過程中，你會體驗(yàn)到如何運(yùn)行l(wèi)aunch文件，如何在launch文件中修改訂閱的話題的名稱，以及如何播放bag文件。同時(shí)，也要體會激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)是什么樣的，構(gòu)建出的二維地圖或者三維地圖是什么樣的。

這一階段大概花費(fèi) 1周到3周 的時(shí)間。

2.5 第五步：理解SLAM各個(gè)模塊的理論概念以及調(diào)研SLAM

經(jīng)過上面的步驟，相信你大致知道SLAM是干什么的了，就是為了構(gòu)建地圖用的，這個(gè)地圖可以保存下來，用于后續(xù)的定位及導(dǎo)航避障中。也有一些SLAM作為里程計(jì)在使用，始終提供估計(jì)的位姿．

現(xiàn)在，我們可以更深入的學(xué)習(xí)下SLAM的概念了。我是覺得，只有先實(shí)際跑了下SLAM，再去看理論，才能理解SLAM到底是要干什么．要不然直接學(xué)習(xí)SLAM的各個(gè)理論概念，可能等你學(xué)完了也沒有理解，過一陣時(shí)間就忘了．

目前，主流SLAM的結(jié)構(gòu)基本都差不過，分為前端里程計(jì)，后端優(yōu)化，回環(huán)檢測三個(gè)大模塊．前端的目的是始終累加位姿，作為里程計(jì)使用；后端使用圖的結(jié)構(gòu)模型，優(yōu)化整體位姿，減小前端里程計(jì)產(chǎn)生的累計(jì)誤差；回環(huán)檢測可以提供一個(gè)更強(qiáng)烈的圖結(jié)構(gòu)的約束，能夠更好的減小累計(jì)誤差．

這一階段就是理解SLAM的概念，可以在網(wǎng)上搜下相關(guān)的文章，也可以去看下論文，如中文的博士論文，國外的論文；推薦優(yōu)先看博士論文的綜述章節(jié)，以及SLAM綜述相關(guān)的文章，這可以讓你很快的理解SLAM各個(gè)模塊的概念．

調(diào)研主流SLAM算法

理解了SLAM概念的時(shí)候，相信綜述里會列舉很多SLAM算法，可以順便調(diào)研下目前的主流SLAM算法方案有哪些，每個(gè)SLAM算法的框架是什么樣的．

一些傳統(tǒng)的SLAM算法如下所示．

二維激光SLAM：hector，gmapping，karto，cartographer等等．

三維激光SLAM：LOAM，Lego-LOAM，LIO-SAM，HDL graph SLAM，cartographer等等．

還有些語義的SLAM我不太懂這里就不說了．

這一階段大概花費(fèi) 1周到2周 的時(shí)間。

2.6 第六步：閱讀文獻(xiàn)找創(chuàng)新點(diǎn)

完成以上步驟大概已經(jīng)過去至少2個(gè)月了，相信這時(shí)的你已經(jīng)對SLAM有了一定的理解．接下來就是要為了做課題而改進(jìn)SLAM．

既然是找創(chuàng)新點(diǎn)，首先就要了解最新SLAM論文的改進(jìn)點(diǎn)，也就是要瘋狂看論文了．我是覺得，只有先理解了SLAM各個(gè)模塊的理論概念，再看論文才能真正理解論文說的是啥，才能理解論文的創(chuàng)新點(diǎn)在哪．

看論文是為了找創(chuàng)新點(diǎn)，同時(shí)也要選擇一個(gè)現(xiàn)有的SLAM框架，因?yàn)閺牧愦钜粋€(gè)SLAM算法是非常難的，所以只能在現(xiàn)有SLAM框架上做改進(jìn)．

這一階段可能花費(fèi) 1個(gè)月到2個(gè)月 的時(shí)間。

2.7 第七步：跑通選定的SLAM框架

將選定的SLAM算法跑通．

如果沒有硬件的同學(xué)可以直接下載網(wǎng)上的數(shù)據(jù)集，將數(shù)據(jù)集和選定的SLAM算法調(diào)通．

如果是有機(jī)器人以及激光雷達(dá)的同學(xué)這一步還要多花費(fèi)一些時(shí)間將選定的SLAM算法與自己的硬件及機(jī)器人調(diào)通，做好心里準(zhǔn)備，這一步可能會出現(xiàn)各種問題導(dǎo)致你卡住．

針對自己的硬件，首先要學(xué)會如何啟動雷達(dá)，如何配置雷達(dá)；如果是要做移動機(jī)器人的，還要學(xué)習(xí)一下移動機(jī)器人如何操作，也就是如何用ROS操作機(jī)器人；再之后是如何將自己的硬件與SLAM算法調(diào)通，這步網(wǎng)上的教程很多，一定要注意下話題的名字對不對的上．

跑通選定的SLAM算法的意思是 將數(shù)據(jù)集或者實(shí)際的傳感器接入到SLAM中，并啟動成功，以及保存地圖．之后，要再試著改一改這個(gè)SLAM的參數(shù)，看看不同的參數(shù)更改了會帶來什么影響．

這一階段可能花費(fèi) 1周到2個(gè)月 的時(shí)間。

2.8 第八步：學(xué)習(xí)C++

如果你已經(jīng)找到了想要做的創(chuàng)新點(diǎn)，接下來的步驟就是要將想法通過代碼實(shí)現(xiàn)出來．

之前的步驟并沒有涉及到編程語言，因?yàn)樽铋_始真的是用不到自己編寫代碼．由于ROS社區(qū)的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致機(jī)器人開發(fā)人員的編寫代碼量驟降，能想到的功能基本開源社區(qū)里都有，只需要跑通調(diào)參就可以了．

現(xiàn)在要自己實(shí)現(xiàn)新功能，需要自己寫代碼，所以這一階段才開始學(xué)習(xí)編程語言．

語言推薦C++，因?yàn)榇蟛糠諷LAM是用c++編寫的．優(yōu)先推薦閱讀 c++ prime plus ，也可以在網(wǎng)上找一些其他的教程．

不管通過什么方式學(xué)習(xí) C++ ，一定多多進(jìn)行編程練習(xí)，學(xué)習(xí)編程只通過看書是永遠(yuǎn)也學(xué)不會的，只有自己多編，多練，才能讓自己熟練準(zhǔn)確的編程．

這一階段可能花費(fèi) 1個(gè)月 的時(shí)間，也可以在之前的步驟當(dāng)中抽空學(xué)一下。

2.9 第九步：閱讀SLAM源碼

學(xué)完了C++，并不意味著你能夠編寫SLAM以及自己的想法了．因?yàn)榫帉慡LAM是一件挺工程，挺需要經(jīng)驗(yàn)的事情．

這時(shí)的你，可能會陷入到想要實(shí)現(xiàn)某些功能，但是完全不知道該怎么寫代碼的階段．

這時(shí)候就需要你去閱讀想要改進(jìn)的SLAM的代碼了．看代碼的目的是為了學(xué)習(xí)如何將實(shí)現(xiàn)自己想法實(shí)現(xiàn)，以及自己的功能添加到SLAM的哪里．可以只看自己想要改進(jìn)模塊的代碼，也可以將整個(gè)SLAM的代碼全看了，只要知道了自己的功能如何實(shí)現(xiàn)了就可以．

C++ 11

由于一般的SLAM的實(shí)現(xiàn)都用到了很多C++ 11的新特性，所以看代碼的時(shí)候也可以簡單學(xué)一學(xué) C++ 11 相關(guān)的知識，以便更好的閱讀代碼．

參數(shù)

看代碼的時(shí)候要將每個(gè)參數(shù)在哪里使用的，這個(gè)參數(shù)具體代表什么意思弄懂，這樣可以讓你更好更準(zhǔn)確的調(diào)參．

同時(shí)，也要學(xué)習(xí)下SLAM的具體實(shí)現(xiàn)該怎么寫代碼，思考自己想要實(shí)現(xiàn)的功能該如何寫代碼，該添加到SLAM的哪部分代碼中，要帶著問題去讀代碼．

這一階段可能花費(fèi) 1個(gè)月到2個(gè)月 的時(shí)間。

2.10 第十步：編寫代碼，驗(yàn)證想法

知道了代碼怎么寫，在SLAM的哪個(gè)部分添加，就可以上手寫代碼了．

新手寫代碼，調(diào)試代碼，這一階段的時(shí)間可能花費(fèi)的要久一點(diǎn)．

寫完了代碼之后，就是要通過與之前的SLAM算法對比軌跡精度，地圖精度等等．輸出圖片，表格，曲線，證明你的算法更加優(yōu)秀．

再之后就是寫論文，發(fā)論文，寫碩士論文，畢業(yè)．

有些學(xué)校要求工作量，這一點(diǎn)一定提前考慮好．SLAM相關(guān)功能的改進(jìn)，撐死了一個(gè)改進(jìn)點(diǎn)一個(gè)大章節(jié)，編程是不算工作量的，能算在論文里的工作只有改進(jìn)之后的對比圖，對比曲線．

一篇碩士論文大概4-5個(gè)大章節(jié)，其他章節(jié)的內(nèi)容怎么寫，一定要提前考慮好．不要編程編了2年，最后寫論文發(fā)現(xiàn)只能算1個(gè)大章節(jié)，那就尷尬了．

3 單純的喜歡激光SLAM，非科研，零基礎(chǔ)如何入門

對于想轉(zhuǎn)行的同學(xué)，或者是單純的喜歡激光SLAM同學(xué)，不需要寫論文，該怎么入門呢？

基本上是一樣的，只是第六步可以忽略，可以不用讀論文．如果不需要改代碼的話第十步也是可以忽略的．而第九步，閱讀源碼，這一部分可以進(jìn)行擴(kuò)展，多閱讀幾個(gè)SLAM算法的源碼與實(shí)現(xiàn)，將有助于幫你更好的理解SLAM的實(shí)現(xiàn)．

總結(jié)

這一路走下來真是不容易啊，涉及到了很多元的知識，也需要花挺長的時(shí)間來探索，來入門．如果沒人帶路的話可能要花更久的時(shí)間來找到正確的路，希望上邊的步驟可以幫到你們．

這只是我的一點(diǎn)建議，不一定正確，只是給各位小白們提供個(gè)參考．

上邊的步驟有很多是可以同時(shí)進(jìn)行的，您可以自己選擇如何組合．

上邊的路線還有很多知識點(diǎn)沒有提到，如 ROS 中的TF，這是所有SLAM中都會用到的；如 SLAM的理論求解算法，像高斯牛頓，LM等等．這篇文章沒有講太多理論算法方面的東西，以對小白更加友好．

文章將在 CSDN: 李太白lx 與 知乎：李想 進(jìn)行同步更新，可以更方便的看代碼，歡迎大家關(guān)注。

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