Point-LIO
Point-LIO：鲁棒的高带宽激光雷达-惯性里程计
1. 引言
Point-LIO 是一种鲁棒的高带宽激光雷达-惯性里程计（LIO），能够估计极端剧烈的机器人运动。Point-LIO包含两大创新点以实现高带宽LIO：
- 逐点更新的LIO框架：在每个激光雷达点测量时更新状态，无需累积成帧。这种逐点更新机制可实现极高频率的里程计输出（4-8kHz），显著提升带宽，并从根本上消除剧烈运动导致的人为帧内运动畸变。
- 随机过程增强的运动学模型：将IMU测量值建模为模型的输出（而非传统滤波里程计/SLAM系统中的输入）。这种新型建模方法即使在IMU测量饱和时，也能实现剧烈运动下的精确定位和可靠建图。
实验证明，Point-LIO能在超出IMU量程的高角速度（75 rad/s）、剧烈振动和运动场景下提供高精度、高频率的里程计和可靠地图，且计算高效、鲁棒性强，在常规运动的公开数据集上表现优异。作为里程计，Point-LIO可广泛应用于自主轨迹规划、控制和感知任务，特别适用于极快本体运动（如剧烈振动、高角/线速度场景）或需高频率里程计输出和建图的场景（如高速反馈控制和感知）。
1.1. 开发者
代码贡献者：
贺东娇 (Dongjiao He) 和 徐威 (Wei Xu)
1.2. 相关论文
论文已被《Advanced Intelligent Systems》(AIS)接收，预印本：Point-LIO_preprint.pdf
1.3. 演示视频
YouTube演示视频：https://youtu.be/oS83xUs42Uw
2. Point-LIO的功能
2.1 无运动畸变的同步定位与建图（SLAM）
2.2 生成高频率、高带宽的里程计输出
2.3 在IMU饱和时仍能处理剧烈运动的SLAM
3. 环境配置
3.1 Ubuntu与ROS
支持Ubuntu18.04(ROS Melodic)和Ubuntu20.04(ROS Noetic)。需安装额外ROS包：
sudo apt-get install ros-xxx-pcl-conversions # 替换xxx为对应ROS版本
3.2 Eigen
官方安装指南：Eigen installation，或直接安装：
sudo apt-get install libeigen3-dev
3.3 livox_ros_driver2
重要提示：
- Point-LIO支持Livox系列雷达，必须在运行前安装并激活此驱动。
- 激活方法：在
~/.bashrc末尾添加source $Livox_ros_driver2_dir$/install/setup.sh，其中$Livox_ros_driver2_dir$为驱动工作空间路径（按Livox官方文档默认为ws_livox目录）。
4. 编译
克隆仓库并使用colcon构建：
cd ~/$ROS_WORKSPACE$/src
git clone https://github.com/hku-mars/Point-LIO.git
cd ..
colcon build --symlink-install
source install/setup.sh
- 编译前请确保已激活livox_ros_driver2（见3.3节）
- 若使用自定义PCL版本，在
~/.bashrc中添加：export PCL_ROOT={CUSTOM_PCL_PATH}
5. 直接运行
关键注意事项：
A. 确保IMU与激光雷达时间同步，否则将严重影响性能。
B. 必须获取所用IMU的饱和值（加速度计/陀螺仪）和加速度单位，据此修改.yaml配置文件。
C. 错误提示"Failed to find match for field ‘time’"表示点云数据缺失时间戳，将导致Point-LIO无法运行（因其依赖每个点的时间戳）。
D. 若已知外参，建议设置extrinsic_est_en: false。外参初始化方法请参考：激光雷达-IMU在线标定工具。
E. 如需无降采样的高频率里程计输出，设置publish_odometry_without_downsample: true。此时可能因TF发布间隔过小触发"TF_REPEATED_DATA"警告，可通过以下方式抑制：
git clone --branch throttle-tf-repeated-data-error git@github.com:BadgerTechnologies/geometry2.git
重新编译后，警告频率将降至10秒/次（可自行调整时间间隔）。
5.1 Mid360设备
按Livox-ros-driver2指南连接Mid360后运行：
cd ~/$Point_LIO_ROS_DIR$
source devel/setup.sh
ros2 launch point_lio mapping_mid360.launch.py
ros2 launch livox_ros_driver2 msg_MID360_launch.py
注意：
- 仅支持
msg_MID360_launch.py（因其提供关键的点级时间戳） - 修改帧率需调整
msg_MID360_launch.py中的publish_freq参数并重新编译驱动
5.2 Avia设备
需调整代码适配livox_ros2_driver：
- 安装livox_ros2_driver
- 在代码中全局替换：
livox_ros_driver2::msg::CustomMsg→livox_ros2_driver::msg::CustomMsg<livox_ros_driver2/msg/custom_msg.hpp>→<livox_ros2_driver/msg/custom_msg.hpp>
连接Avia设备后运行：
cd ~/$Point_LIO_ROS_DIR$
source install/setup.sh
ros2 launch point_lio mapping_avia.launch.py
ros2 launch livox_ros2_driver livox_lidar_msg_launch.py
5.3 外接IMU的Livox设备
理论上支持Mid-70/Mid-40等Livox雷达，需在运行前配置config/avia.yaml：
- 雷达点云话题：
lid_topic - IMU话题：
imu_topic - 平移外参：
extrinsic_T - 旋转外参：
extrinsic_R（仅支持旋转矩阵）- 外参定义为：雷达在IMU坐标系中的位姿（IMU为基准坐标系）
- IMU饱和值：
satu_acc,satu_gyro - 加速度模值：
acc_norm（与IMU消息单位一致）
5.4 Velodyne/Ouster设备（以Velodyne为例）
步骤A：运行前配置
编辑config/velodyne.yaml：
- 点云话题：
lid_topic - IMU话题：
imu_topic（支持内置/外接，6轴/9轴） - 时间戳单位：
timestamp_unit（根据PointCloud2中"time"/"t"字段设置） - 雷达线数：
scan_line（支持16/32/64线） - 平移外参：
extrinsic_T - 旋转外参：
extrinsic_R（仅支持旋转矩阵） - IMU饱和值：
satu_acc,satu_gyro - 加速度模值：
acc_norm
步骤B：运行命令
cd ~/$Point_LIO_ROS_DIR$
source install/setup.sh
ros2 launch point_lio mapping_velody16.launch.py
步骤C：启动雷达驱动或播放rosbag
5.5 PCD文件保存
在launch文件中设置pcd_save_enable: 1。终止Point-LIO时，所有全局坐标系下的点云将保存至Point-LIO/PCD/scans.pcd。使用pcl_viewer scans.pcd可视化点云。
PCL查看器快捷键：
1 - 随机着色
2 - X坐标值渲染
3 - Y坐标值渲染
4 - Z坐标值渲染
5 - 强度值渲染
6. 应用案例
6.1. 案例1：IMU饱和的剧烈运动场景SLAM
6.2. 案例2：FPV无人机与PULSAR系统应用
PULSAR为单电机驱动自旋平台，项目地址