自主移動(dòng)機(jī)器人即時(shí)定位與地圖構(gòu)建環(huán)境表示方法

曾品善

摘 要 自主移動(dòng)機(jī)器人即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（SLAM）問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其復(fù)雜性在于機(jī)器人需要利用各種量測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)自身狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)的同時(shí)還需要構(gòu)建環(huán)境地圖。根據(jù)機(jī)器人所獲取的環(huán)境特征的不同，環(huán)境地圖的表示方法也有多種，本文主要介紹了SLAM問(wèn)題中常用的三種環(huán)境表示方法。

關(guān)鍵詞 SLAM 環(huán)境地圖

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

傳統(tǒng)的定位和導(dǎo)航問(wèn)題是依賴(lài)于已知的地圖，或利用GPS導(dǎo)航衛(wèi)星獲得的衛(wèi)星地圖來(lái)進(jìn)行自身位置的確定和路徑規(guī)劃。而自主移動(dòng)機(jī)器人即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）是將環(huán)境地圖作為估計(jì)和預(yù)測(cè)的一部分，在定位的同時(shí)進(jìn)行環(huán)境地圖的構(gòu)建。環(huán)境地圖的構(gòu)建其實(shí)質(zhì)是對(duì)環(huán)境特征提取后的存儲(chǔ)和表達(dá)，因此，從效率和可行性的角度考慮，一種好的環(huán)境地圖表示方法應(yīng)滿(mǎn)足以下三個(gè)方面的要求：

（1）便于計(jì)算機(jī)的處理;

（2）容易加入新的信息以便地圖的更新;

（3）機(jī)器人可以依靠該地圖信息完成特定的任務(wù)，如導(dǎo)航、搜索等。

基于平面模型的環(huán)境地圖表示方法通常包括度量表示方法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表示方法。度量表示方法又進(jìn)一步分為柵格地圖表示方法和幾何地圖表示方法。

在圖1中分別運(yùn)用了SLAM環(huán)境地圖三種最常用的表示方法來(lái)對(duì)圖1（a）房屋平面圖進(jìn)行描述。下面依次對(duì)這三種方法進(jìn)行介紹。

1柵格地圖

圖1（b）為柵格地圖示意圖。柵格地圖是一種度量表示方法，最早是由Elfes和Moravec等人提出的。其主要思想是將平面環(huán)境地圖均勻劃分為若干大小固定的柵格，每個(gè)柵格除了記錄自身的位置參數(shù)外，還通過(guò)一個(gè)數(shù)值在[0，1]區(qū)間內(nèi)的參數(shù)p來(lái)表示柵格被環(huán)境物體占用的概率。當(dāng)自主移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)傳感器得到環(huán)境特征信息后，即對(duì)柵格概率進(jìn)行估計(jì)，最簡(jiǎn)單的方式是采用二進(jìn)制0—1兩種狀態(tài)，用0表示該柵格未被占用，用1表示該柵格已被占用。這使得柵格地圖創(chuàng)建和維護(hù)起來(lái)較容易，對(duì)環(huán)境信息的呈現(xiàn)也比較完整，因此，柵格地圖可以較為方便地實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)機(jī)器人的定位與路徑規(guī)劃，在機(jī)器人系統(tǒng)中取得了較為成功的應(yīng)用。但是，為了更加精確表示環(huán)境地圖特征，柵格地圖需要減小柵格單元的尺寸來(lái)提高其分辨率，從而提升環(huán)境信息描述的精度，這就增加了柵格地圖存儲(chǔ)的空間復(fù)雜度和運(yùn)算的時(shí)間復(fù)雜度，無(wú)法滿(mǎn)足計(jì)算的實(shí)時(shí)性要求。所以傳統(tǒng)的柵格地圖不適用于大規(guī)模環(huán)境建圖。

2幾何地圖

圖1（c）為幾何地圖示意圖。幾何地圖是利用一定的幾何模型來(lái)近似環(huán)境中的特征信息。自主移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)感知周?chē)h(huán)境信息，將其抽象為不同的幾何特征，利用點(diǎn)、線、圓和多邊形等幾何形狀來(lái)描述環(huán)境。幾何地圖只選擇對(duì)環(huán)境特征有用的幾何模型進(jìn)行描述，是一種稀疏的環(huán)境描述，所以不對(duì)沒(méi)有特征的環(huán)境空間進(jìn)行描述，從而減少了計(jì)算量，并且能夠獲得較高的地圖精度。但是，對(duì)于復(fù)雜不規(guī)則的環(huán)境，環(huán)境特征可能是任意形狀的，系統(tǒng)很難用幾何模型來(lái)進(jìn)行表示，另外系統(tǒng)對(duì)感知信息的處理易受噪聲的干擾，從而導(dǎo)致幾何地圖的構(gòu)建變得十分困難。由于室內(nèi)環(huán)境具有高度結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，非常易于用幾何模型來(lái)擬合室內(nèi)的房間、走廊、門(mén)、墻角等，所以室內(nèi)環(huán)境下自主移動(dòng)機(jī)器人的地圖構(gòu)建多采用幾何地圖。

3拓?fù)涞貓D

圖1（d）為拓?fù)涞貓D示意圖。拓?fù)涞貓D是將環(huán)境特征用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)表示，是一種緊湊的地圖描述方法。在拓?fù)涞貓D中，環(huán)境中的一個(gè)特征狀態(tài)被抽象為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間相連接的邊用來(lái)表示特征之間的連通關(guān)系。因此，相對(duì)于幾何地圖來(lái)說(shuō)，拓?fù)涞貓D是一種更高層次的抽象。由于拓?fù)涞貓D不需要記錄特征的精確位置，因而只需占用較少的存儲(chǔ)空間，這非常有利于大范圍環(huán)境創(chuàng)建地圖，并且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高抽象度也易于自主移動(dòng)機(jī)器人快速實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃。然而，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，由于環(huán)境特征的相互關(guān)系變得復(fù)雜，導(dǎo)致拓?fù)涞貓D建圖難度增加。另外，拓?fù)涞貓D無(wú)法給出節(jié)點(diǎn)的精確定位，致使如果在環(huán)境中遇到兩個(gè)很相似的地方，系統(tǒng)很難判斷它們是否為同一個(gè)環(huán)境特征。

參考文獻(xiàn)

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