Need for Speed: Fast Correspondence-Free Lidar-Inertial Odometry Using Doppler Velocity

要約

この論文では、データ関連付けを行わずに周波数変調連続波 (FMCW) LIDAR からのドップラー速度測定を使用する、高速かつ軽量のオドメトリ方法を紹介します。
FMCW LIDAR は、ドップラー効果を介してリターンごとの相対動径速度測定を可能にする最近登場したテクノロジーです。
ドップラー測定モデルは 6 自由度 (DOF) の車両速度に関して線形であるため、速度の線形連続時間推定問題を定式化し、その後 6 自由度姿勢推定のために数値積分することができます。
注意点は、角速度は単一の FMCW LIDAR では観測できないことです。
私たちは、ジャイロスコープからの角速度測定も組み込むことで、この制限に対処します。
これにより、シングル スレッドで平均実測時間 5.64 ミリ秒で LIDAR フレームを処理する、非常に効率的なオドメトリ メソッドが実現します。これは、テストした LIDAR の動作速度 10 Hz を大幅に下回ります。
現実世界の運転シーケンスに関する実験結果を示し、最先端の反復最接近点 (ICP) ベースのオドメトリ手法と比較して、精度と計算の間の説得力のあるトレードオフを示します。
また、代数的観測可能性の研究も紹介し、複数の FMCW ライダーからのドップラー測定が 6 つの自由度 (並進速度と角速度) すべてを観測できることを理論的に実証します。

要約(オリジナル)

In this paper, we present a fast, lightweight odometry method that uses the Doppler velocity measurements from a Frequency-Modulated Continuous-Wave (FMCW) lidar without data association. FMCW lidar is a recently emerging technology that enables per-return relative radial velocity measurements via the Doppler effect. Since the Doppler measurement model is linear with respect to the 6-degrees-of-freedom (DOF) vehicle velocity, we can formulate a linear continuous-time estimation problem for the velocity and numerically integrate for the 6-DOF pose estimate afterward. The caveat is that angular velocity is not observable with a single FMCW lidar. We address this limitation by also incorporating the angular velocity measurements from a gyroscope. This results in an extremely efficient odometry method that processes lidar frames at an average wall-clock time of 5.64ms on a single thread, well below the 10Hz operating rate of the lidar we tested. We show experimental results on real-world driving sequences and compare against state-of-the-art Iterative Closest Point (ICP)-based odometry methods, presenting a compelling trade-off between accuracy and computation. We also present an algebraic observability study, where we demonstrate in theory that the Doppler measurements from multiple FMCW lidars are capable of observing all 6 degrees of freedom (translational and angular velocity).

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