しあわせもの工房 Atelier · Japan 流山おおたかの森
R&D · シミュレーション開発
Development Case · Virtual 360° LiDAR + IMU for Isaac Sim

Isaac Sim上に、360° LiDARを。
シミュレータ「Lid-360sim」を開発しました。

Lid-360simは、当方で独自に開発した、NVIDIA Isaac Sim上でLivox Mid-360に近い「360° LiDAR+内蔵IMU」を再現するシミュレータです。Livox公式ドライバと同じ形式のメッセージで配信でき、LiDAR慣性オドメトリ(FAST-LIOなど)に実機なしでそのまま接続できます。ロボットの地図生成・自己位置推定を、現場に出る前に試せます。こうしたシミュレーション開発のご相談を承ります。

01 — Features

できること。

実機なしで、LiDAR慣性オドメトリをそのまま試せる。

360°の点群:水平360°、垂直 −7°〜+52°、測距 0.1〜40 m。毎秒約20万点、10 Hz固定(設定で変更可)。

内蔵IMU:LiDARと同じ位置・姿勢から、重力込みの加速度と角速度を配信。

Livox互換メッセージ:livox_ros_driver2/msg/CustomMsgで配信。点ごとの相対時刻つきなので、FAST-LIOのLivox入力にそのまま使えます。

時刻同期:LiDARとIMUが同じ時計でスタンプされ、LIOが時刻エラーなく動作。

ロボットに載せられる:移動ロボットの上に取り付け可能。四足歩行ロボットUnitree Go2に載せ、歩きながらFAST-LIOで地図を作る検証も行っています。

本プロジェクトはLivox社・NVIDIA社とは無関係です。Livox、Mid-360、NVIDIA、Isaac Simは各社の商標・製品名で、実機の仕様を参考にしたこと、動作環境を示すためにのみ言及しています。Mid-360そのものの完全な再現ではありません(特に走査パターン。07章参照)。
Isaac Sim上のオフィス環境でLid-360simが取得した点群(クリックで拡大)
オフィス環境(Isaac Sim)でLid-360simが取得した点群(3フレーム重ね、約47万点)。中心の穴は、垂直視野が−7°からのため。
02 — Point Cloud Video

点群が届く様子。

オフィス環境(Isaac Sim)に置いたLid-360simの出力を、そのまま可視化した動画です。A:1回の走査(約0.1秒)が描かれていく様子を約60倍のスローで、B:実時間10 Hzでフレームが次々に届く様子、C:フレームを重ねて部屋の形になっていく様子。右下にはIMUの値も表示しています(静止状態で、加速度は重力の9.81 m/s²)。

Lid-360simの点群動画のサムネイル
Lid-360simの点群動画(30秒)。左:3Dビュー(色=高さ)/右上:真上から見た図/右下:点数・レート・IMU

Isaac Simでシミュレートした点群を、RViz2上でリアルタイムに表示した様子です。実機のLivox Mid-360と同じトピック構成で配信しているため、可視化側のツールチェーン(RViz2含む)をそのまま流用できます。

RViz2で表示したLid-360simの点群のサムネイル
RViz2によるリアルタイム表示(Isaac Simでシミュレート)
03 — Specs

仕様。

項目 Livox Mid-360(実機・公称) Lid-360sim
水平視野 360° 360°
垂直視野 −7°〜+52° −7°〜+52°
測距 約40 m 0.1〜40 m
点数 約20万点/秒 20万点/秒(10 Hzで約2万点/フレーム)
フレームレート 10 Hz 10 Hz固定(設定変更可)
走査パターン 非反復(花びら状) 格子状(ロータリー方式)
IMU 内蔵 重力込み、約50 Hz
出力形式 Livox CustomMsg Livox CustomMsg(定義は同一)

実機の数値は公称値です。ご利用の際は、メーカーの最新の仕様書をご確認ください。

04 — How it works

仕組み。

Isaac SimのRTX LiDARセンサーで取得した点群データを、独自のブリッジ処理を介してLivox形式へリアルタイム変換・配信しています。IMUはシミュレーション内の物理ボディに取り付け、実機相当の加速度・角速度を配信します。

Isaac Sim RTX LiDAR→点群生成→ブリッジ処理(形式変換・時刻整列)→/livox/mid360/points(CustomMsg)

密度とノイズ特性の調整:実機LiDARに近いスキャン密度・点のばらつきが得られるよう、生成段階でチューニングしています。

非反復走査パターンの再現:Livox Mid-360特有の花びら状・非反復の走査パターンは、オーバーサンプリングした反復走査パターンを、フレームごとにランダムに間引く方式で再現しています。

非同期ブリッジ:Isaac Sim本体のシミュレーション処理とは別プロセスで変換を行うため、シミュレーションの負荷に影響されず安定したレートでメッセージを配信できます。

Livox CustomMsg形式:点ごとの時刻情報を持つ形式で出力しており、FAST-LIOなどのSLAMアルゴリズムが前提とする歪み補正にそのまま利用できます。実機用SDKなしで疑似Livoxデータストリームとして扱えます。

時系列整合性の確保:各スキャンが時刻順に整った状態で配信されるよう後処理しています。

05 — Verification

FAST-LIOで地図ができることを確認。(Isaac Simで動作)

オフィス環境にセンサーを置き、FAST-LIOを接続して、地図の保存まで通しました。壁・天井・家具が地図に出ています。

FAST-LIOがオフィス環境の地図を生成していく様子のサムネイル
FAST-LIOがLid-360simの点群を受け取り、地図を生成していく様子。
FAST-LIOが生成したオフィス環境の地図(クリックで拡大)
FAST-LIOが保存した地図(オフィス環境、約9.4万点)。
06 — Consulting

こうした開発のご相談を承ります。

Lid-360simは一般公開していませんが、この開発で得た知見をもとに、次のようなご相談をお受けしています。

センサーのシミュレーション:LiDAR・IMU・カメラなどを、Isaac Sim上で実機に近い形(点数・視野・レート・メッセージ形式・時刻同期)で再現する。

LiDAR SLAM / LIOの事前検証:FAST-LIOなどを、実機を買う前・現場に出る前にシミュレーションで試す。

ロボットのシミュレーション環境づくり:四足歩行ロボットや移動ロボットを、倉庫・工場などの環境で動かし、地図生成や走行を検証する。

検証動画・レポートの制作:本ページのような、地図が生成されていく様子を示す動画と、精度の評価。

お問い合わせ:ご相談は、当サイトのお問い合わせ窓口よりご連絡ください。
Livox、Mid-360、NVIDIA、Isaac Sim、Unitree、Go2、FAST-LIOなどの名称は各権利者の商標・製品名です。数値は開発環境での実測または設定値で、性能を保証するものではありません。

実機に出す前に、シミュレーションで確かめませんか。

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