[논문 리뷰] Aerial Imagery based LIDAR Localization for Autonomous Vehicles

Ankit Vora, Siddharth Agarwal외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 25.

Robotics and Sensor-Based Localization참고 문헌 28인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 항공사진/위성 영상으로 제공되는 사전 지ap을 활용하여 실시간으로 비용 효율적인 자율주행차 위치 추정 방법을 제안한다. 이 방법은 정규화 상호정보량(NMI)을 사용해 실시간 LIDAR 지면 반사율을 매칭한다. 이는 하위 미터 수준의 정확도(횡방향 RMSE 0.253m, 종방향 RMSE 0.272m)를 달성하며, 최신 기술 수준의 LIDAR 반사율 지도와 유사한 성능을 보이며, 고비용의 고해상도 LIDAR 지ap 차량을 필요로 하지 않으면서도 32cm 해상도까지 낮은 지도 해상도에서도 성능을 유지한다.

ABSTRACT

This paper presents a localization technique using aerial imagery maps and LIDAR based ground reflectivity for autonomous vehicles in urban environments. Traditional localization techniques using LIDAR reflectivity rely on high definition reflectivity maps generated from a mapping vehicle. The cost and effort required to maintain such prior maps are generally very high because it requires a fleet of expensive mapping vehicles. In this work we propose a localization technique where the vehicle localizes using aerial/satellite imagery, eradicating the need to develop and maintain complex high-definition maps. The proposed technique has been tested on a real world dataset collected from a test track in Ann Arbor, Michigan. This research concludes that aerial imagery based maps provides real-time localization performance similar to state-of-the-art LIDAR based maps for autonomous vehicles in urban environments at reduced costs.

연구 동기 및 목표

• 자율주행차 위치 추정에 사용되는 고해상도 LIDAR 반사율 지도의 높은 비용과 유지보수 부담을 해결하기 위해.
• 고비용의 측량 등급 LIDAR 지도의 대체로 공공의 항공 또는 위성 영상을 사용할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 항공사진 기반 지도가 도시 환경에서 전통적인 LIDAR 반사율 지도와 유사한 위치 추정 성능을 달성할 수 있는지 평가하기 위해.
• 낮은 지도 해상도, 특히 저해상도 위성 영상까지 포함하여 다양한 지도 해상도에서의 방법의 견고성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 8cm에서 32cm 해상도까지 변하는 지면 해상도를 가진 정규화된 항공사진/위성 영상을 사전 지도로 사용한다.
• 실시간 LIDAR 스캔은 지면 반사율 특징을 추출하고, 이를 정규화 상호정보량(NMI)을 사용해 사전 지도와 매칭한다.
• 실시간 위치 추정을 개선하기 위해 입자 필터와 확장된 칼만 필터(EKF) 프레임워크를 사용한다.
• 다양한 후보 지도 위치를 비교하여 국소 지도와 사전 지도의 반사율 패턴 간 NMI를 최대화하는 위치를 선택한다.
• 지속적인 특징 매칭을 보장하기 위해 국소 지도의 해상도는 사전 지도와 동일하게 설정된다.
• 해당 방법은 미국 미시간주 앤아버의 테스트 트랙에서 수집한 실세계 데이터셋을 사용하여 평가되었으며, LIDAR와 GPS/IMU를 장착한 차량을 활용했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도시 환경에서 항공사진/위성 영상이 LIDAR 기반 차량 위치 추정의 사전 지도로 효과적으로 사용될 수 있는가?
• RQ2 항공사진 기반 방법의 위치 추정 정확도가 최신 기술 수준의 LIDAR 반사율 기반 위치 추정과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 저해상도 위성 영상(예: 32cm)을 사용할 경우 고해상도 지도 대비 성능 저하가 심각하게 발생하는가?
• RQ4 전용 LIDAR 지도 차량이 필요 없이도 실시간 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 항공사진 기반 위치 추정(AL) 방법은 횡방향 RMSE 0.253m, 종방향 RMSE 0.272m를 달성하였으며, 이는 미국 현지 도로에서 자율주행 운영의 경고 한계인 0.29m 이내에 머무르는 비율이 횡방향 93.27%에 달한다.
• AL 방법의 성능은 최신 기술 수준의 LIDAR 지면 반사율(LGR) 방법과 유사하며, LGR 방법은 횡방향 0.098m, 종방향 0.135m의 RMSE를 달성한다.
• 32cm 해상도(일반적인 위성 영상 해상도를 모방)에서도 AL 방법은 횡방향 89.44%의 시간 동안 0.29m 이내에 머무르며, 종방향 84.91%의 시간 동안 이내에 머무른다.
• 지도 해상도가 감소함에 따라 성능 저하가 최소한으로 발생하며, 8cm에서 32cm 지도로의 전환 시 오차는 약간 증가한다(예: 횡방향 오차는 0.253m에서 0.323m로 증가).
• GPS+IMU 단독 위치 추정보다 성능이 약 10배 이상 뛰어나며, 횡방향 RMSE 1.598m, 종방향 RMSE 2.001m를 기록한다.
• 원형 교차로에서는 항공사진과 LIDAR 반사율 간 회색조 외관의 불일치로 인해 이상치가 발생하며, 이는 반사율과 그림자 효과에 민감함을 시사한다.