移動(dòng)機(jī)器人同步定位與地圖構(gòu)建技術(shù)研究

俞兆鵬 劉力源 蔣婷 楊宇 路云

摘要：進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，各類高科技產(chǎn)品已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于人們的生活當(dāng)中，使人們的日常生活更加高效便捷。近幾年來(lái)，無(wú)人機(jī)、智能無(wú)人駕駛汽車、掃地機(jī)器人等各種高科技產(chǎn)品相繼出現(xiàn)在人們的視野中。特別是各種智能機(jī)器人的出現(xiàn)，為人們的生活提供了極大的便利。越來(lái)越多的人開(kāi)始研究機(jī)器人這一方向，各類機(jī)器人的自主導(dǎo)航問(wèn)題成為了近幾年來(lái)各位專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。雖然我們的研究目前已經(jīng)取得了很大的成果，但是在環(huán)境地圖未知的情況下機(jī)器人的定位和導(dǎo)航仍是當(dāng)前主要研究和攻堅(jiān)的方向。同時(shí)定位與地圖構(gòu)建算法可以通過(guò)智能機(jī)器人自身攜帶的傳感器測(cè)量所處陌生環(huán)境信息和對(duì)自身位置的估計(jì)，能夠?yàn)槟吧h(huán)境中智能機(jī)器人的定位與導(dǎo)航提供有效的解決方案，這種算法簡(jiǎn)稱SLAM算法。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人，自主導(dǎo)航，同時(shí)定位與地圖構(gòu)建

1. 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的智能化的產(chǎn)品不斷出現(xiàn)并進(jìn)入人們的生活。就目前來(lái)說(shuō)，自動(dòng)化、智能化就是未來(lái)社會(huì)發(fā)展的方向。數(shù)字革命是一場(chǎng)信息技術(shù)革命，它極大地提高了科學(xué)技術(shù)水平，為世界文化的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，使全球文化交流日益密切，現(xiàn)代化呈現(xiàn)出多元化特征。智能機(jī)器人在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅速。人們嘗試把機(jī)器人應(yīng)用在各種場(chǎng)景中，從家用掃地機(jī)器人，到自動(dòng)駕駛汽車，再到無(wú)人機(jī)、水下探測(cè)機(jī)器人等，智能機(jī)器人的運(yùn)用都得到了巨大突破，并取得了顯著的成果。

2. SLAM技術(shù)的發(fā)展背景

SLAM主要的作用就是讓機(jī)器人在一個(gè)完全未知的環(huán)境中完成定位、建立地圖和對(duì)路徑的規(guī)劃。SLAM問(wèn)題起源于1986年在美國(guó)舊金山召開(kāi)的一次有關(guān)機(jī)器人討論的會(huì)議上。大量的研究人員一直在研究如何將估計(jì)理論應(yīng)應(yīng)用在構(gòu)圖與定位的問(wèn)題上，在整個(gè)的會(huì)議過(guò)程中，許多桌子上充滿了關(guān)于建立地圖的長(zhǎng)篇討論。在這一時(shí)期，許多國(guó)外學(xué)者也參與了關(guān)于測(cè)繪連續(xù)性的討論。SLAM最早由兩位國(guó)外的學(xué)者在1988年提出，到目前為止已經(jīng)有30多年的發(fā)展歷史。

SLAM技術(shù)在機(jī)器人的行動(dòng)能力和交互能力方面發(fā)揮了重要的作用，因?yàn)樗砹诉@種能力的基礎(chǔ)：知道自己在什么位置，知道自己處在一個(gè)什么樣的未知環(huán)境，進(jìn)而知道下一步該如何自主行動(dòng)。SLAM技術(shù)在無(wú)人駕駛、家用掃地機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，可以說(shuō)凡是擁有一定行動(dòng)能力的機(jī)器人都擁有某種形式的SLAM系統(tǒng)。

在機(jī)器人的研究中最為核心的技術(shù)就是定位和建立地圖，也就是我們所說(shuō)的SLAM技術(shù)。一個(gè)人是怎么判斷自己所在的位置呢？沒(méi)錯(cuò)，就是眼睛！人的大腦就是通過(guò)綜合這些感官信息來(lái)判斷位置和移動(dòng)的，SLAM技術(shù)的靈感來(lái)源就來(lái)源于此。

近幾年來(lái)大數(shù)據(jù)、人工智能這些熱門詞匯成為了人們討論的熱點(diǎn)，SLAM這個(gè)詞幾乎沒(méi)有多少人聽(tīng)過(guò)，這是是因?yàn)閲?guó)內(nèi)從事相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)更是屈指可數(shù)。到2015年年底，SLAM才慢慢的被人們知道，該題目也成為國(guó)內(nèi)相關(guān)專家和學(xué)者的熱門研究方向，在當(dāng)前較為熱門的領(lǐng)域顯露頭角。

通常來(lái)說(shuō)，SLAM有許多模塊組成，它包含著各種傳感器和各個(gè)功能模塊。按照傳感器模塊來(lái)區(qū)分，SLAM系統(tǒng)主要分為兩種形式。一種是激光SLAM，另一種就是視覺(jué)SLAM。

激光SLAM采用單線或多線激光雷達(dá)，單線激光雷達(dá)一般用于室內(nèi)機(jī)器人上，如掃地機(jī)器人。而多線激光雷達(dá)一般用在無(wú)人駕駛領(lǐng)域，一些大城市的駕駛汽車就用的比較多。激光雷達(dá)的出現(xiàn)和普及可以讓測(cè)量更加快速，更加精準(zhǔn)，避免了很大的誤差，信息量更豐富。

視覺(jué)SLAM又稱為V-SLAM，主要通過(guò)攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。視覺(jué)SLAM以信息量大，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。在此，主要介紹激光SLAM。

3. 激光SLAM技術(shù)的原理分析

在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，可把分為底層、中間通信部分和決策部分三部分，中間通信部分是底層部分和決策部分的通信通道，決策部分則是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定位建圖及導(dǎo)航，相當(dāng)于人腦。

在機(jī)器人定位導(dǎo)航中，目前主要有激光SLAM與視覺(jué)SLAM，激光SLAM相比較視覺(jué)SLAM技術(shù)比較成熟，變?yōu)楫?dāng)下最主流的定位導(dǎo)航方式，我們家庭中用的掃地機(jī)器人以及餐飲行業(yè)的送餐機(jī)器人等服務(wù)機(jī)器人中都采用了當(dāng)下最流行的激光SLAM技術(shù)。

當(dāng)機(jī)器人想要準(zhǔn)確的去一個(gè)地方時(shí)，需要依靠一張地圖，就像人類一樣，你需要知道如何去這個(gè)地方，描述環(huán)境、認(rèn)識(shí)環(huán)境的過(guò)程主要就是依靠地圖。它利用環(huán)境地圖來(lái)獲取當(dāng)前環(huán)境信息，使用的算法與傳感器差異的不同，采用的地圖描述形式也會(huì)有不同的結(jié)果，在機(jī)器人學(xué)中，地圖的表示方法主要有四種，其中，柵格地圖應(yīng)用最為廣泛。我們可以把一幅柵格圖像看作是數(shù)學(xué)中一個(gè)矩陣，矩陣中的某一個(gè)元素對(duì)應(yīng)于圖像中的一個(gè)點(diǎn)，呈現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，而相應(yīng)的值對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)的灰度級(jí)，我們把數(shù)字矩陣中的元素叫做像素。柵格地圖是目前機(jī)器人應(yīng)用最為廣泛的地圖儲(chǔ)存方式，它看起來(lái)和人們所理解的地圖本質(zhì)上區(qū)別不大，說(shuō)白了就是一張位圖圖片，其中每個(gè)“像素”則表示了實(shí)際環(huán)境中存在障礙物的概率分布。

柵格地圖具有容易構(gòu)建、位置具有唯一性的優(yōu)點(diǎn)，它可以表示在空間環(huán)境中的眾多特征，機(jī)器人用它來(lái)進(jìn)行路徑規(guī)劃很方便，同時(shí)它不記錄傳感器的最原始數(shù)據(jù)，可以節(jié)約很多的時(shí)間和空間，為我們提供了很大的便利。

國(guó)內(nèi)一家公司的SLAMWARE定位導(dǎo)航方案就采用了柵格地圖，該公司的的定位方案主要是由自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)SLAMWARECore及激光雷達(dá)組合構(gòu)成。激光雷達(dá)最具代表性的產(chǎn)品就是SLAMWARE，SLAMWARE可以直接完成地圖的構(gòu)建、自主路徑規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)行走控制，中間不需要復(fù)雜的過(guò)程，不需要大量的計(jì)算，節(jié)省了許多時(shí)間，很方便集成。

4.激光SLAM建立地圖

在地圖的構(gòu)建中，激光雷達(dá)是建立地圖的一個(gè)最重要的工具，它在建立地圖的過(guò)程中發(fā)揮了非常大的作用，在這一過(guò)程中，激光雷達(dá)相當(dāng)于人眼，可幫助機(jī)器人感知周圍環(huán)境。在進(jìn)行地圖的構(gòu)建之前，準(zhǔn)確的安裝激光雷達(dá)是必不可少的一步，激光雷達(dá)是否正確安裝會(huì)直接影響后面的定位與構(gòu)建地圖的過(guò)程。進(jìn)行激光雷達(dá)的安裝主要有以下幾個(gè)重要的步驟：

（1）需要水平安裝，角度偏差在5度以內(nèi);

（2）找到合適的開(kāi)口角度，一般在270-360度之間最為合適;

（3）安裝激光雷達(dá)時(shí)，盡可能的靠近機(jī)器人的中心，避免盲區(qū);

激光雷達(dá)安裝好之后，就是進(jìn)行建立地圖的前期準(zhǔn)備，注意事項(xiàng)如下：

（1）盡可能的找一個(gè)空曠地帶;

（2）清除該區(qū)域內(nèi)的一些顯眼的障礙物，如桌子、椅子等;

（3）對(duì)于場(chǎng)景中的影響激光雷達(dá)掃描的物體，在條件允許的情況下，盡量在機(jī)器人的雷達(dá)掃描平面處貼上其他不影響雷達(dá)正常掃描的材料;

地圖的構(gòu)建技巧：

（2）在一些大環(huán)境中建立地圖時(shí)，可以先讓機(jī)器人先去完成建圖閉環(huán)，之后再對(duì)一些細(xì)小的點(diǎn)進(jìn)行精確的掃描;

（3）建立地圖時(shí)，采用rviz軟件進(jìn)行構(gòu)建，在該軟件上可以實(shí)時(shí)的查看機(jī)器人所在的位置;當(dāng)使用鍵盤控制機(jī)器人的移動(dòng)時(shí)，rviz界面會(huì)顯示機(jī)器人的動(dòng)態(tài);

圖2 rviz界面

在地圖建立完成之后，可以通過(guò)一下幾點(diǎn)來(lái)判斷建立的地圖是否符合定位導(dǎo)航的要求：

（1）構(gòu)建的地圖障礙物邊緣是否清晰，障礙物邊緣是一條黑色的線則構(gòu)建的地圖符合要求;

（2）地圖中是否存在沒(méi)有掃描到的區(qū)域;

（3）地圖中是否存在一些移動(dòng)的障礙物;

若達(dá)到以上要求，證明地圖的構(gòu)建非常成功。

5.總結(jié)

SLAM技術(shù)不僅僅可以用在機(jī)器人領(lǐng)域，在未來(lái)，移動(dòng)廣告、送餐、智能倉(cāng)儲(chǔ)這些領(lǐng)域都可以應(yīng)用到，市場(chǎng)前景非常廣泛。SLAM技術(shù)將會(huì)為我們帶來(lái)帶來(lái)機(jī)器人技術(shù)和人工智能技術(shù)的真正科技革命，也將使得機(jī)器人從實(shí)驗(yàn)室和展示廳中走出來(lái)，走向全世界，給人們帶來(lái)真正的便利。

北京科技大學(xué)天津?qū)W院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，《無(wú)人農(nóng)業(yè)—智能農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》，項(xiàng)目編號(hào)：202113898046。

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