Precise geolocalization is crucial for unmanned aerial vehicles (UAVs). However, most current deployed UAVs rely on the global navigation satellite systems (GNSS) or high precision inertial navigation systems (INS) for geolocalization. In this paper, we propose to use a lightweight visual-inertial system with a 2D georeference map to obtain accurate and consecutive geodetic positions for UAVs. The proposed system firstly integrates a micro inertial measurement unit (MIMU) and a monocular camera as odometry to consecutively estimate the navigation states and reconstruct the 3D position of the observed visual features in the local world frame. To obtain the geolocation, the visual features tracked by the odometry are further registered to the 2D georeferenced map. While most conventional methods perform image-level aerial image registration, we propose to align the reconstructed points to the map points in the geodetic frame; this helps to filter out the large portion of outliers and decouples the negative effects from the horizontal angles. The registered points are then used to relocalize the vehicle in the geodetic frame. Finally, a pose graph is deployed to fuse the geolocation from the aerial image registration and the local navigation result from the visual-inertial odometry (VIO) to achieve consecutive and drift-free geolocalization performance. We have validated the proposed method by installing the sensors to a UAV body rigidly and have conducted two flights in different environments with unknown initials. The results show that the proposed method can achieve less than 4m position error in flight at 100m high and less than 9m position error in flight about 300m high.

A monocular visual-inertial system (VINS), consisting of a camera and a low-cost inertial measurement unit (IMU), forms the minimum sensor suite for metric six degreesof-freedom (DOF) state estimation. However, the lack of direct distance measurement poses significant challenges in terms of IMU processing, estimator initialization, extrinsic calibration, and nonlinear optimization. In this work, we present VINS-Mono: a robust and versatile monocular visual-inertial state estimator. Our approach starts with a robust procedure for estimator initialization and failure recovery. A tightly-coupled, nonlinear optimization-based method is used to obtain high accuracy visual-inertial odometry by fusing pre-integrated IMU measurements and feature observations. A loop detection module, in combination with our tightly-coupled formulation, enables relocalization with minimum computation overhead. We additionally perform four degrees-of-freedom pose graph optimization to enforce global consistency. We validate the performance of our system on public datasets and real-world experiments and compare against other state-of-the-art algorithms. We also perform onboard closed-loop autonomous flight on the MAV platform and port the algorithm to an iOS-based demonstration. We highlight that the proposed work is a reliable, complete, and versatile system that is applicable for different applications that require high accuracy localization. We open source our implementations for both PCs 1 and iOS mobile devices 2 .

通过实现复杂场景实现长期漂移相机姿势估计的目标，我们提出了一种全球定位框架，融合了多层的视觉，惯性和全球导航卫星系统（GNSS）测量。不同于以前的松散和紧密耦合的方法，所提出的多层融合允许我们彻底校正视觉测量仪的漂移，并在GNSS降解时保持可靠的定位。特别地，通过融合GNSS的速度，在紧紧地集成的情况下，解决视觉测量测量测量测量率和偏差估计中的尺度漂移和偏差估计的问题的问题，惯性测量单元（IMU）的预集成以及紧密相机测量的情况下 - 耦合的方式。在外层中实现全局定位，其中局部运动进一步与GNSS位置和基于长期时期的过程以松散耦合的方式融合。此外，提出了一种专用的初始化方法，以保证所有状态变量和参数的快速准确估计。我们为室内和室外公共数据集提供了拟议框架的详尽测试。平均本地化误差减少了63％，而初始化精度与最先进的工程相比，促销率为69％。我们已将算法应用于增强现实（AR）导航，人群采购高精度地图更新等大型应用。

我们在本文中介绍Raillomer，实现实时准确和鲁棒的内径测量和轨道车辆的测绘。 Raillomer从两个Lidars，IMU，火车车程和全球导航卫星系统（GNSS）接收器接收测量。作为前端，来自IMU / Royomer缩放组的估计动作De-Skews DeSoised Point云并为框架到框架激光轨道测量产生初始猜测。作为后端，配制了基于滑动窗口的因子图以共同优化多模态信息。另外，我们利用来自提取的轨道轨道和结构外观描述符的平面约束，以进一步改善对重复结构的系统鲁棒性。为了确保全局常见和更少的模糊映射结果，我们开发了一种两级映射方法，首先以本地刻度执行扫描到地图，然后利用GNSS信息来注册模块。该方法在聚集的数据集上广泛评估了多次范围内的数据集，并且表明Raillomer即使在大或退化的环境中也能提供排入量级定位精度。我们还将Raillomer集成到互动列车状态和铁路监控系统原型设计中，已经部署到实验货量交通铁路。

We propose a framework for tightly-coupled lidar inertial odometry via smoothing and mapping, LIO-SAM, that achieves highly accurate, real-time mobile robot trajectory estimation and map-building. LIO-SAM formulates lidar-inertial odometry atop a factor graph, allowing a multitude of relative and absolute measurements, including loop closures, to be incorporated from different sources as factors into the system. The estimated motion from inertial measurement unit (IMU) pre-integration de-skews point clouds and produces an initial guess for lidar odometry optimization. The obtained lidar odometry solution is used to estimate the bias of the IMU. To ensure high performance in real-time, we marginalize old lidar scans for pose optimization, rather than matching lidar scans to a global map. Scan-matching at a local scale instead of a global scale significantly improves the real-time performance of the system, as does the selective introduction of keyframes, and an efficient sliding window approach that registers a new keyframe to a fixed-size set of prior "sub-keyframes." The proposed method is extensively evaluated on datasets gathered from three platforms over various scales and environments.

事件摄像机是运动激活的传感器，可捕获像素级照明的变化，而不是具有固定帧速率的强度图像。与标准摄像机相比，它可以在高速运动和高动态范围场景中提供可靠的视觉感知。但是，当相机和场景之间的相对运动受到限制时，例如在静态状态下，事件摄像机仅输出一点信息甚至噪音。尽管标准相机可以在大多数情况下，尤其是在良好的照明条件下提供丰富的感知信息。这两个相机完全是互补的。在本文中，我们提出了一种具有鲁棒性，高智能和实时优化的基于事件的视觉惯性镜（VIO）方法，具有事件角度，基于线的事件功能和基于点的图像功能。提出的方法旨在利用人为场景中的自然场景和基于线路的功能中的基于点的功能，以通过设计良好设计的功能管理提供更多其他结构或约束信息。公共基准数据集中的实验表明，与基于图像或基于事件的VIO相比，我们的方法可以实现卓越的性能。最后，我们使用我们的方法演示了机上闭环自动驾驶四极管飞行和大规模室外实验。评估的视频在我们的项目网站上介绍：https：//b23.tv/oe3qm6j

在本文中，我们介绍了全球导航卫星系统（GNSS）辅助激光乐队 - 视觉惯性方案RAILTOMER-V，用于准确且坚固的铁路车辆本地化和映射。 Raillomer-V在因子图上制定，由两个子系统组成：辅助LiDar惯性系统（OLIS）和距离的内径综合视觉惯性系统（OVI）。两个子系统都利用了铁路上的典型几何结构。提取的轨道轨道的平面约束用于补充OLI中的旋转和垂直误差。此外，线特征和消失点被利用以限制卵巢中的旋转漂移。拟议的框架在800公里的数据集中广泛评估，聚集在一年以上的一般速度和高速铁路，日夜。利用各个传感器的所有测量的紧密耦合集成，我们的框架准确到了长期的任务，并且足够强大地避免了退行的情景（铁路隧道）。此外，可以使用车载计算机实现实时性能。

精确和实时轨道车辆本地化以及铁路环境监测对于铁路安全至关重要。在这封信中，我们提出了一种基于多激光器的同时定位和映射（SLAM）系统，用于铁路应用。我们的方法从测量开始预处理，以便去噪并同步多个LIDAR输入。根据LIDAR放置使用不同的帧到框架注册方法。此外，我们利用来自提取的轨道轨道的平面约束来提高系统精度。本地地图进一步与利用绝对位置测量的全局地图对齐。考虑到不可避免的金属磨损和螺杆松动，在手术期间唤醒了在线外在细化。在收集3000公里的数据集上广泛验证了所提出的方法。结果表明，所提出的系统与大规模环境的有效映射一起实现了精确且稳健的本地化。我们的系统已应用于运费交通铁路以监控任务。

本文通过讨论参加了为期三年的SubT竞赛的六支球队的不同大满贯策略和成果，报道了地下大满贯的现状。特别是，本文有四个主要目标。首先，我们审查团队采用的算法，架构和系统；特别重点是以激光雷达以激光雷达为中心的SLAM解决方案（几乎所有竞争中所有团队的首选方法），异质的多机器人操作（包括空中机器人和地面机器人）和现实世界的地下操作（从存在需要处理严格的计算约束的晦涩之处）。我们不会回避讨论不同SubT SLAM系统背后的肮脏细节，这些系统通常会从技术论文中省略。其次，我们通过强调当前的SLAM系统的可能性以及我们认为与一些良好的系统工程有关的范围来讨论该领域的成熟度。第三，我们概述了我们认为是基本的开放问题，这些问题可能需要进一步的研究才能突破。最后，我们提供了在SubT挑战和相关工作期间生产的开源SLAM实现和数据集的列表，并构成了研究人员和从业人员的有用资源。

农业行业不断寻求农业生产中涉及的不同过程的自动化，例如播种，收获和杂草控制。使用移动自主机器人执行这些任务引起了极大的兴趣。耕地面向同时定位和映射（SLAM）系统（移动机器人技术的关键）面临着艰巨的挑战，这是由于视觉上的难度，这是由于高度重复的场景而引起的。近年来，已经开发了几种视觉惯性遗传（VIO）和SLAM系统。事实证明，它们在室内和室外城市环境中具有很高的准确性。但是，在农业领域未正确评估它们。在这项工作中，我们从可耕地上的准确性和处理时间方面评估了最相关的最新VIO系统，以便更好地了解它们在这些环境中的行为。特别是，该评估是在我们的车轮机器人记录的大豆领域记录的传感器数据集中进行的，该田间被公开发行为Rosario数据集。评估表明，环境的高度重复性外观，崎terrain的地形产生的强振动以及由风引起的叶子的运动，暴露了当前最新的VIO和SLAM系统的局限性。我们分析了系统故障并突出观察到的缺点，包括初始化故障，跟踪损失和对IMU饱和的敏感性。最后，我们得出的结论是，即使某些系统（例如Orb-Slam3和S-MSCKF）在其他系统方面表现出良好的结果，但应采取更多改进，以使其在某些申请中的农业领域可靠，例如作物行的土壤耕作和农药喷涂。 。

In recent years, aerial swarm technology has developed rapidly. In order to accomplish a fully autonomous aerial swarm, a key technology is decentralized and distributed collaborative SLAM (CSLAM) for aerial swarms, which estimates the relative pose and the consistent global trajectories. In this paper, we propose $D^2$SLAM: a decentralized and distributed ($D^2$) collaborative SLAM algorithm. This algorithm has high local accuracy and global consistency, and the distributed architecture allows it to scale up. $D^2$SLAM covers swarm state estimation in two scenarios: near-field state estimation for high real-time accuracy at close range and far-field state estimation for globally consistent trajectories estimation at the long-range between UAVs. Distributed optimization algorithms are adopted as the backend to achieve the $D^2$ goal. $D^2$SLAM is robust to transient loss of communication, network delays, and other factors. Thanks to the flexible architecture, $D^2$SLAM has the potential of applying in various scenarios.

This paper presents ORB-SLAM3, the first system able to perform visual, visual-inertial and multi-map SLAM with monocular, stereo and RGB-D cameras, using pin-hole and fisheye lens models.The first main novelty is a feature-based tightly-integrated visual-inertial SLAM system that fully relies on Maximum-a-Posteriori (MAP) estimation, even during the IMU initialization phase. The result is a system that operates robustly in real time, in small and large, indoor and outdoor environments, and is two to ten times more accurate than previous approaches.The second main novelty is a multiple map system that relies on a new place recognition method with improved recall. Thanks to it, ORB-SLAM3 is able to survive to long periods of poor visual information: when it gets lost, it starts a new map that will be seamlessly merged with previous maps when revisiting mapped areas. Compared with visual odometry systems that only use information from the last few seconds, ORB-SLAM3 is the first system able to reuse in all the algorithm stages all previous information. This allows to include in bundle adjustment co-visible keyframes, that provide high parallax observations boosting accuracy, even if they are widely separated in time or if they come from a previous mapping session.Our experiments show that, in all sensor configurations, ORB-SLAM3 is as robust as the best systems available in the literature, and significantly more accurate. Notably, our stereo-inertial SLAM achieves an average accuracy of 3.5 cm in the EuRoC drone and 9 mm under quick hand-held motions in the room of TUM-VI dataset, a setting representative of AR/VR scenarios. For the benefit of the community we make public the source code.

我们提出了一种准确而坚固的多模态传感器融合框架，Metroloc，朝着最极端的场景之一，大规模地铁车辆本地化和映射。 Metroloc在以IMU为中心的状态估计器上构建，以较轻耦合的方法紧密地耦合光检测和测距（LIDAR），视觉和惯性信息。所提出的框架由三个子模块组成：IMU Odometry，LiDar - 惯性内径术（LIO）和视觉惯性内径（VIO）。 IMU被视为主要传感器，从LIO和VIO实现了从LIO和VIO的观察，以限制加速度计和陀螺仪偏差。与以前的点LIO方法相比，我们的方法通过将线路和平面特征引入运动估计来利用更多几何信息。 VIO还通过使用两条线和点来利用环境结构信息。我们所提出的方法在具有维护车辆的长期地铁环境中广泛测试。实验结果表明，该系统比使用实时性能的最先进的方法更准确和强大。此外，我们开发了一系列虚拟现实（VR）应用，以实现高效，经济，互动的轨道车辆状态和轨道基础设施监控，已经部署到室外测试铁路。

Localization of autonomous unmanned aerial vehicles (UAVs) relies heavily on Global Navigation Satellite Systems (GNSS), which are susceptible to interference. Especially in security applications, robust localization algorithms independent of GNSS are needed to provide dependable operations of autonomous UAVs also in interfered conditions. Typical non-GNSS visual localization approaches rely on known starting pose, work only on a small-sized map, or require known flight paths before a mission starts. We consider the problem of localization with no information on initial pose or planned flight path. We propose a solution for global visual localization on a map at scale up to 100 km2, based on matching orthoprojected UAV images to satellite imagery using learned season-invariant descriptors. We show that the method is able to determine heading, latitude and longitude of the UAV at 12.6-18.7 m lateral translation error in as few as 23.2-44.4 updates from an uninformed initialization, also in situations of significant seasonal appearance difference (winter-summer) between the UAV image and the map. We evaluate the characteristics of multiple neural network architectures for generating the descriptors, and likelihood estimation methods that are able to provide fast convergence and low localization error. We also evaluate the operation of the algorithm using real UAV data and evaluate running time on a real-time embedded platform. We believe this is the first work that is able to recover the pose of an UAV at this scale and rate of convergence, while allowing significant seasonal difference between camera observations and map.

没有全球导航卫星系统（GNSS）的本地化是无人驾驶汽车（UAVS）自动操作中的关键功能。在已知地图上基于视觉的本地化可以是一个有效的解决方案，但是它受到两个主要问题的负担：根据天气和季节的不同，位置的外观不同，以及无人机相机图像和地图之间的透视差异使匹配变得难以匹配。在这项工作中，我们提出了一种本地化解决方案，该解决方案依靠无人机相机图像匹配，以与训练有素的卷积神经网络模型进行地理参与的正射击图，该模型与相机图像和地图之间的季节性外观差异（冬季夏季）不变。我们将解决方案的收敛速度和本地化精度与六种参考方法进行比较。结果表明，参考方法的重大改善，尤其是在较高的季节性变化下。我们最终证明了该方法成功本地无人机的能力，表明所提出的方法对透视变化是可靠的。

凭借在运动扫描系统生产的LIDAR点云注册的目的，我们提出了一种新颖的轨迹调整程序，可以利用重叠点云和关节集成之间所选可靠的3D点对应关系的自动提取。 （调整）与所有原始惯性和GNSS观察一起。这是使用紧密耦合的方式执行的动态网络方法来执行，这通过在传感器处的错误而不是轨迹等级来实现最佳补偿的轨迹。 3D对应关系被制定为该网络内的静态条件，并且利用校正的轨迹和可能在调整内确定的其他参数，以更高的精度生成注册点云。我们首先描述了选择对应关系以及将它们作为新观察模型作为动态网络插入的方法。然后，我们描述了对具有低成本MEMS惯性传感器的实用空气激光扫描场景中提出框架的性能进行评估。在进行的实验中，建议建立3D对应关系的方法在确定各种几何形状的点对点匹配方面是有效的，例如树木，建筑物和汽车。我们的结果表明，该方法提高了点云登记精度，否则在确定的平台姿态或位置（以标称和模拟的GNSS中断条件）中的错误受到强烈影响，并且可能仅使用总计的一小部分确定未知的触觉角度建立的3D对应数量。

Accurate and safety-quantifiable localization is of great significance for safety-critical autonomous systems, such as unmanned ground vehicles (UGV) and unmanned aerial vehicles (UAV). The visual odometry-based method can provide accurate positioning in a short period but is subjected to drift over time. Moreover, the quantification of the safety of the localization solution (the error is bounded by a certain value) is still a challenge. To fill the gaps, this paper proposes a safety-quantifiable line feature-based visual localization method with a prior map. The visual-inertial odometry provides a high-frequency local pose estimation which serves as the initial guess for the visual localization. By obtaining a visual line feature pair association, a foot point-based constraint is proposed to construct the cost function between the 2D lines extracted from the real-time image and the 3D lines extracted from the high-precision prior 3D point cloud map. Moreover, a global navigation satellite systems (GNSS) receiver autonomous integrity monitoring (RAIM) inspired method is employed to quantify the safety of the derived localization solution. Among that, an outlier rejection (also well-known as fault detection and exclusion) strategy is employed via the weighted sum of squares residual with a Chi-squared probability distribution. A protection level (PL) scheme considering multiple outliers is derived and utilized to quantify the potential error bound of the localization solution in both position and rotation domains. The effectiveness of the proposed safety-quantifiable localization system is verified using the datasets collected in the UAV indoor and UGV outdoor environments.

同时定位和映射（SLAM）对于自主机器人（例如自动驾驶汽车，自动无人机），3D映射系统和AR/VR应用至关重要。这项工作提出了一个新颖的LIDAR惯性 - 视觉融合框架，称为R $^3 $ LIVE ++，以实现强大而准确的状态估计，同时可以随时重建光线体图。 R $^3 $ LIVE ++由LIDAR惯性探针（LIO）和视觉惯性探测器（VIO）组成，均为实时运行。 LIO子系统利用从激光雷达的测量值重建几何结构（即3D点的位置），而VIO子系统同时从输入图像中同时恢复了几何结构的辐射信息。 r $^3 $ live ++是基于r $^3 $ live开发的，并通过考虑相机光度校准（例如，非线性响应功能和镜头渐滴）和相机的在线估计，进一步提高了本地化和映射的准确性和映射接触时间。我们对公共和私人数据集进行了更广泛的实验，以将我们提出的系统与其他最先进的SLAM系统进行比较。定量和定性结果表明，我们所提出的系统在准确性和鲁棒性方面对其他系统具有显着改善。此外，为了证明我们的工作的可扩展性，{我们基于重建的辐射图开发了多个应用程序，例如高动态范围（HDR）成像，虚拟环境探索和3D视频游戏。}最后，分享我们的发现和我们的发现和为社区做出贡献，我们在GitHub上公开提供代码，硬件设计和数据集：github.com/hku-mars/r3live

在本文中，我们评估了八种流行和开源的3D激光雷达和视觉大满贯（同时定位和映射）算法，即壤土，乐高壤土，lio sam，hdl graph，orb slam3，basalt vio和svo2。我们已经设计了室内和室外的实验，以研究以下项目的影响：i）传感器安装位置的影响，ii）地形类型和振动的影响，iii）运动的影响（线性和角速速度的变化）。我们根据相对和绝对姿势误差比较它们的性能。我们还提供了他们所需的计算资源的比较。我们通过我们的多摄像机和多大摄像机室内和室外数据集进行彻底分析和讨论结果，并确定环境案例的最佳性能系统。我们希望我们的发现可以帮助人们根据目标环境选择一个适合其需求的传感器和相应的SLAM算法组合。

准确的本地化是机器人导航系统的核心组成部分。为此，全球导航卫星系统（GNSS）可以在户外提供绝对的测量，因此消除了长期漂移。但是，将GNSS数据与其他传感器数据进行融合并不是微不足道的，尤其是当机器人在有和没有天空视图的区域之间移动时。我们提出了一种可靠的方法，该方法将原始GNSS接收器数据与惯性测量以及可选的LIDAR观测值紧密地融合在一起，以进行精确和光滑的移动机器人定位。提出了具有两种类型的GNSS因子的因子图。首先，基于伪龙的因素，该因素允许地球上进行全球定位。其次，基于载体阶段的因素，该因素可以实现高度准确的相对定位，这在对其他感应方式受到挑战时很有用。与传统的差异GNS不同，这种方法不需要与基站的连接。在公共城市驾驶数据集上，我们的方法达到了与最先进的算法相当的精度，该算法将视觉惯性探测器与GNSS数据融合在一起 - 尽管我们的方法不使用相机，但仅使用了惯性和GNSS数据。我们还使用来自汽车的数据以及在森林（例如森林）的环境中移动的四倍的机器人，证明了方法的鲁棒性。全球地球框架中的准确性仍然为1-2 m，而估计的轨迹无不连续性和光滑。我们还展示了如何紧密整合激光雷达测量值。我们认为，这是第一个将原始GNSS观察（而不是修复）与LIDAR融合在一起的系统。