1. 腿部運(yùn)動(dòng)學(xué)-慣性里程計(jì)

結(jié)合機(jī)器人腿部運(yùn)動(dòng)學(xué)和IMU數(shù)據(jù)，提出了一種基于誤差狀態(tài)卡爾曼濾波器（ESKF）的腿部里程計(jì)算法：

• 狀態(tài)預(yù)測(cè)：利用運(yùn)動(dòng)學(xué)模型預(yù)測(cè)機(jī)器人在空間中的位置、速度和姿態(tài)。
• 狀態(tài)更新：融合足端速度、足端位置和接觸高度檢測(cè)等多種觀測(cè)，減少由于足部沖擊引起的高度波動(dòng)和漂移。
• 接觸高度檢測(cè)：通過機(jī)器人中心的增量地圖計(jì)算足端接觸點(diǎn)的高度，有效降低動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中高度方向的累積誤差。

2. LiDAR里程計(jì)

為了適應(yīng)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)帶來的點(diǎn)云失真問題，提出了以下創(chuàng)新方法：

• 自適應(yīng)掃描切片與拼接：根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度動(dòng)態(tài)調(diào)整LiDAR掃描切片的角度，拼接當(dāng)前和歷史掃描切片以生成高頻的去畸變點(diǎn)云。
• 點(diǎn)云匹配與優(yōu)化：使用點(diǎn)到線和點(diǎn)到面的匹配算法對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行優(yōu)化，提升位姿估計(jì)的精度。
• 增量式地圖維護(hù)：采用增量kd-tree技術(shù)動(dòng)態(tài)管理局部地圖，通過高效添加與移除點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模點(diǎn)云的實(shí)時(shí)維護(hù)。

3. 因子圖優(yōu)化

通過因子圖緊密耦合腿部里程計(jì)、LiDAR里程計(jì)和回環(huán)檢測(cè)：

• 因子圖結(jié)構(gòu)：整合腿部里程計(jì)的相對(duì)位姿、LiDAR里程計(jì)的相對(duì)位姿以及回環(huán)檢測(cè)的匹配信息，形成優(yōu)化目標(biāo)。
• 回環(huán)檢測(cè)：基于距離約束的回環(huán)檢測(cè)方法，選擇匹配幀對(duì)進(jìn)行閉環(huán)優(yōu)化，進(jìn)一步提升全局定位精度。

4. 系統(tǒng)流程

1. 使用腿部運(yùn)動(dòng)學(xué)和IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和初步狀態(tài)估計(jì)。
2. 通過自適應(yīng)掃描與拼接生成高頻點(diǎn)云，優(yōu)化點(diǎn)云匹配結(jié)果。
3. 將腿部里程計(jì)、LiDAR里程計(jì)及回環(huán)檢測(cè)結(jié)果融合到因子圖中，實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化。
4. 維護(hù)增量式局部地圖，確保實(shí)時(shí)性和計(jì)算效率。

實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

本文提出的方法與其他方法的相對(duì)位姿誤差（RPE）的比較

Comparison of trajectory for various methods on parking.

在平地上跑步時(shí)，不同方法對(duì)高度變化的比較。跑步時(shí)，車身高度會(huì)略有下降，不會(huì)超過圖中的灰色區(qū)域。

untime comparison on sequence parking.

總結(jié) & 展望

本文提出了一種基于運(yùn)動(dòng)學(xué)-慣性-LiDAR的里程計(jì)方法——Leg-KILO。通過引入腿部運(yùn)動(dòng)學(xué)約束，增強(qiáng)了基于LiDAR里程計(jì)的穩(wěn)定性。此外，提出了一種自適應(yīng)掃描切片與拼接方法，以緩解動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的影響。同時(shí)，采用一種以機(jī)器人為中心的增量式局部地圖維護(hù)方法，顯著降低了地圖維護(hù)的時(shí)間成本。通過因子圖優(yōu)化，將腿部里程計(jì)、LiDAR里程計(jì)和回環(huán)檢測(cè)因子進(jìn)行整合，以提高定位精度。

本文的方法在多種高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)環(huán)境下（采用快步運(yùn)動(dòng)方式）進(jìn)行了廣泛的測(cè)試，結(jié)果表明，與其他先進(jìn)的LiDAR方法相比，Leg-KILO更適合動(dòng)態(tài)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。以機(jī)器人為中心的局部地圖維護(hù)對(duì)接觸高度檢測(cè)的精度有重要影響。未來，我們將更加關(guān)注地圖一致性的改進(jìn)，以進(jìn)一步提升接觸高度檢測(cè)和點(diǎn)云配準(zhǔn)的精度。

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