機(jī)器人的SLAM和導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)分析

這種地圖看起來(lái)和人們所認(rèn)知的地圖沒(méi)什么區(qū)別，它最早由NASA的Alberto Elfes在1989年提出，在火星探測(cè)車上就用到過(guò)，其本質(zhì)是一張位圖圖片，但其中每個(gè)“像素”則表示了實(shí)際環(huán)境中存在障礙物的概率分布。

一般來(lái)說(shuō)，采用激光雷達(dá)、深度攝像頭、超聲波傳感器等可以直接測(cè)量距離數(shù)據(jù)的傳感器進(jìn)行SLAM時(shí)，可以使用該地圖。這種地圖也可以通過(guò)距離測(cè)量傳感器、超聲波（早期）、激光雷達(dá)（現(xiàn)在）繪制出來(lái)。

2.特征點(diǎn)地圖

特征點(diǎn)地圖，是用有關(guān)的幾何特征（如點(diǎn)、直線、面）表示環(huán)境，常見(jiàn)于vSLAM（視覺(jué)SLAM）技術(shù)中。

相比柵格地圖，這種地圖看起來(lái)就不那么直觀了。它一般通過(guò)如GPS、UWB以及攝像頭配合稀疏方式的vSLAM算法產(chǎn)生，優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量和運(yùn)算量比較小，多見(jiàn)于最早的SLAM算法中。

3.直接表征法

直接表征法中，省去了特征或柵格表示這一中間環(huán)節(jié)，直接用傳感器讀取的數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)造機(jī)器人的位姿空間。

上圖就是直接記錄了屋子內(nèi)天花板畫面的圖像地圖。這種方法就像衛(wèi)星地圖一樣，直接將傳感器原始數(shù)據(jù)通過(guò)簡(jiǎn)單處理拼接形成地圖，相對(duì)來(lái)說(shuō)更加直觀。

4.拓?fù)涞貓D

拓?fù)涞貓D，是一種相對(duì)更加抽象的地圖形式，它把室內(nèi)環(huán)境表示為帶結(jié)點(diǎn)和相關(guān)連接線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中結(jié)點(diǎn)表示環(huán)境中的重要位置點(diǎn)（拐角、門、電梯、樓梯等），邊表示結(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系，如走廊等。

這種方法只記錄所在環(huán)境拓?fù)滏溄雨P(guān)系，這類地圖一般是由前幾類地圖通過(guò)相關(guān)算法提取得到。

比如掃地機(jī)器人要進(jìn)行房間清掃的時(shí)候，就會(huì)建立這樣的拓?fù)涞貓D：

5.小結(jié)

在機(jī)器人技術(shù)中，SLAM的地圖構(gòu)建通常指的是建立與環(huán)境幾何一致的地圖。

一般算法中建立的拓?fù)涞貓D只反映了環(huán)境中的各點(diǎn)連接關(guān)系，并不能構(gòu)建幾何一致的地圖，因此，這些拓?fù)渌惴ú荒鼙挥糜赟LAM。

直接表征法類似衛(wèi)星地圖，它是直接使用傳感器（一般是圖像傳感器）構(gòu)建得到。這種方法的信息冗余度最大，對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是很大的挑戰(zhàn)，同時(shí)，機(jī)器人要從中提取出有用的數(shù)據(jù)也要耗費(fèi)一番周折，因此在實(shí)際應(yīng)用中很少使用。

特征點(diǎn)地圖又是另一個(gè)極端，雖然數(shù)據(jù)量少，但是它往往不能反應(yīng)所在環(huán)境的一些必須的信息，比如環(huán)境中障礙物的位置。vSLAM技術(shù)中，多采用這種地圖來(lái)解決機(jī)器人定位問(wèn)題。想讓機(jī)器人進(jìn)行自主避障和路徑規(guī)劃，還需要額外配置距離傳感器，如激光雷達(dá)、超聲波來(lái)完成。

柵格地圖，或者Occupancy Map（占據(jù)地圖）恰好介于其中，一方面它能表示空間環(huán)境中的很多特征，機(jī)器人可以用它來(lái)進(jìn)行路徑規(guī)劃，另一方面，它又不直接記錄傳感器的原始數(shù)據(jù)，相對(duì)實(shí)現(xiàn)了空間和時(shí)間消耗的最優(yōu)。因此，柵格地圖是目前機(jī)器人所廣泛應(yīng)用的地圖存儲(chǔ)方式。

二、定位及傳感器選擇

當(dāng)你打開(kāi)手機(jī)中的導(dǎo)航軟件，在選擇前往目的地的最佳路線之前，首先要做的動(dòng)作是什么呢？沒(méi)錯(cuò)，就是定位。我們要先知道自己在地圖中的位置，才可以進(jìn)行后續(xù)的路徑規(guī)劃。

在機(jī)器人實(shí)時(shí)定位問(wèn)題中，由于通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)估計(jì)得到的機(jī)器人位置信息通常具有較大的誤差，我們還需要使用測(cè)距單元得到的周圍環(huán)境信息更正機(jī)器人的位置。

目前，常見(jiàn)的測(cè)距單元包括激光測(cè)距、超聲波測(cè)距以及圖像測(cè)距三種。其中，憑借激光良好的指向性和高度聚焦性，激光雷達(dá)已經(jīng)成為移動(dòng)機(jī)器人的核心傳感器，同時(shí)它也是目前最可靠、最穩(wěn)定的定位技術(shù)。

自1988年被提出以來(lái)，SLAM的理論研究發(fā)展十分迅速。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，除配備激光雷達(dá)外，還需要機(jī)器人具有IMU（慣性測(cè)量單元）、里程計(jì)來(lái)為激光雷達(dá)提供輔助數(shù)據(jù)，這一過(guò)程的運(yùn)算消耗是巨大的，傳統(tǒng)上需要PC級(jí)別的處理器，這也成為限制SLAM廣泛應(yīng)用的瓶頸之一。

三、傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理

這是一個(gè)完整的SLAM和導(dǎo)航系統(tǒng)的主要架構(gòu)圖：

其中，SLAM核心過(guò)程包括3個(gè)步驟，第一步稱為預(yù)處理。我們知道，激光雷達(dá)和其他雷達(dá)設(shè)備一樣，某一個(gè)時(shí)刻只能獲取它所在位置的環(huán)境信息。

這就是我們所說(shuō)的點(diǎn)云，它只能反映機(jī)器人所在環(huán)境中的一個(gè)部分。第一步預(yù)處理就是對(duì)激光雷達(dá)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，剔除一些有問(wèn)題的數(shù)據(jù)，或者進(jìn)行濾波。

四、匹配

第二步是匹配，也就是說(shuō)把當(dāng)前這一個(gè)局部環(huán)境的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在已經(jīng)建立地圖上尋找到對(duì)應(yīng)的位置，這個(gè)步驟非常關(guān)鍵。

這個(gè)是ICP的點(diǎn)云匹配算法，用于實(shí)現(xiàn)匹配。說(shuō)這個(gè)過(guò)程關(guān)鍵，就是因?yàn)樗暮脡?，直接影響了SLAM構(gòu)建地圖的精度。這個(gè)過(guò)程和我們玩拼圖游戲有點(diǎn)類似，就是在已經(jīng)拼好的畫面中找到相似之處，確定新的一個(gè)拼圖該放在哪里。

在SLAM過(guò)程中，需要將激光雷達(dá)當(dāng)前采集的點(diǎn)云（紅色部分）匹配拼接到原有地圖中。

如果不進(jìn)行匹配過(guò)程，所構(gòu)建的地圖可能就亂成一團(tuán)，變成這樣。

五、地圖融合

在這個(gè)部分完畢以后，就進(jìn)行第三步，地圖融合，也就是將這一輪來(lái)自激光雷達(dá)的新數(shù)據(jù)拼接到原始地圖當(dāng)中，最終完成地圖的更新。

就像這個(gè)圖一樣，這個(gè)過(guò)程是永遠(yuǎn)伴隨SLAM過(guò)程的。

數(shù)據(jù)融合和簡(jiǎn)單的貼圖是有很大的差異的。因?yàn)閷?shí)際上傳感器描繪的世界存在一定的誤差，或者正巧在這個(gè)時(shí)間環(huán)境有了變化，例如機(jī)器人旁邊闖入了一只小貓。

因此，實(shí)際要進(jìn)行的過(guò)程會(huì)更加復(fù)雜，需要用很多概率算法，并采用濾波的方式進(jìn)行融合。將上述這個(gè)過(guò)程逐次執(zhí)行，就最終產(chǎn)生了我們看到的柵格地圖。

六、Loop Closure（回環(huán)）問(wèn)題

這個(gè)過(guò)程聽(tīng)起來(lái)其實(shí)并不復(fù)雜，但是要處理好有很大難度。這里舉幾個(gè)例子，比如叫做Loop Closure（回環(huán)）問(wèn)題。

如果匹配算法不足夠優(yōu)秀，或者環(huán)境中存在很不巧的干擾，當(dāng)機(jī)器人繞著環(huán)境一圈后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)原本是應(yīng)該閉合的一個(gè)環(huán)形走廊斷開(kāi)了。

比如正常地圖應(yīng)該這樣：

如果處理不好，實(shí)際地圖就成這樣：

對(duì)于環(huán)境比較大的場(chǎng)景，回環(huán)問(wèn)題是不得不面對(duì)的，但現(xiàn)實(shí)總是不完美的，即使是激光雷達(dá)這種高精度傳感器，也難免存在誤差。

而回環(huán)問(wèn)題的難點(diǎn)恰恰在于在一開(kāi)始出現(xiàn)少許誤差的時(shí)候，并不會(huì)被發(fā)覺(jué)，直到機(jī)器人繞著環(huán)路一圈，隨著誤差的累加，發(fā)現(xiàn)環(huán)路已經(jīng)無(wú)法閉合時(shí)，此時(shí)已經(jīng)釀成大錯(cuò)，一般很難回天。

當(dāng)然這個(gè)問(wèn)題并不是無(wú)解，一個(gè)好的商用化SLAM系統(tǒng)，回環(huán)問(wèn)題是否能很好的解決，就成為評(píng)判這個(gè)系統(tǒng)實(shí)力的指標(biāo)了。

除了算法層面的回環(huán)問(wèn)題，SLAM實(shí)際應(yīng)用中還有很多這種坑，比如走廊問(wèn)題與外界干擾問(wèn)題。

以外界干擾問(wèn)題來(lái)說(shuō)，通常，激光雷達(dá)作為機(jī)器人的眼睛，一般是安裝在底盤上的，它能看到的視野很有限。當(dāng)受到外界干擾（人類或者寵物等等）后，機(jī)器人很容易丟失定位精度，無(wú)法正常完成后續(xù)的建圖工作。

當(dāng)機(jī)器人安裝SLAMWARE后，機(jī)器人受到干擾，可以完全不受影響，照樣能夠正常工作。

目前，SLAM的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)代表多為學(xué)術(shù)界，實(shí)際應(yīng)用有很多Corner Case要處理，需要傳感器、系統(tǒng)參數(shù)、其他輔助設(shè)備的聯(lián)合調(diào)優(yōu)。

一般來(lái)說(shuō)，上述的SLAM過(guò)程對(duì)于運(yùn)算消耗是巨大的，雖然并沒(méi)有達(dá)到像訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)用服務(wù)器集群那種地步，但傳統(tǒng)上需要PC級(jí)別的處理器。

除配備激光雷達(dá)外，還需要機(jī)器人具有IMU（慣性測(cè)量單元）、里程計(jì)來(lái)為激光雷達(dá)提供輔助數(shù)據(jù)，否則SLAM系統(tǒng)也難以得到運(yùn)行?？偟膩?lái)說(shuō)，SLAM算法本身是一個(gè)對(duì)于外部系統(tǒng)有著多種依賴的算法，這是一個(gè)切實(shí)的工程問(wèn)題。

七、算法優(yōu)化及商用

很多機(jī)器人，比如掃地機(jī)是不可能裝一個(gè)PC進(jìn)去的，為了讓SLAM能在這類設(shè)備里運(yùn)行，除了解決激光雷達(dá)成本外，還要對(duì)SLAM算法做出很好的優(yōu)化。

八、路徑規(guī)劃

那么，機(jī)器人利用SLAM技術(shù)得到了有效的空間信息后，它是怎樣實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃的？SLAM和路徑規(guī)劃之間關(guān)系是怎樣的？

實(shí)際上，SLAM算法本身只是完成了機(jī)器人的定位和地圖構(gòu)建兩件事情，與我們說(shuō)的導(dǎo)航定位并不是完全等價(jià)的。這里的導(dǎo)航，其實(shí)是SLAM算法做不了的。它在業(yè)內(nèi)叫做運(yùn)動(dòng)規(guī)劃(Motion Planning)。

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是一個(gè)很大的概念，從機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)、到飛行器的飛行，再到這里我們說(shuō)的掃地機(jī)的清掃路徑規(guī)劃，都是運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的范疇。

我們先談?wù)勧槍?duì)掃地機(jī)這類輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。這里所需的基礎(chǔ)能力就是路徑規(guī)劃，也就是一般在完成SLAM后，要進(jìn)行一個(gè)叫做目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航的能力。通俗的說(shuō)，就是規(guī)劃一條從A點(diǎn)到B點(diǎn)的路徑出來(lái)，然后讓機(jī)器人移動(dòng)過(guò)去。

1.全局規(guī)劃

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃要實(shí)現(xiàn)至少兩個(gè)層次的模塊，一個(gè)叫做全局規(guī)劃，這個(gè)和我們車載導(dǎo)航儀有一點(diǎn)像，它需要在地圖上預(yù)先規(guī)劃一條線路，也要有當(dāng)前機(jī)器人的位置。這是由我們的SLAM系統(tǒng)提供出來(lái)的。

行業(yè)內(nèi)一般會(huì)用叫做A*的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程，它是一種啟發(fā)式的搜索算法，非常優(yōu)秀。

它最多的應(yīng)用，是在游戲中，比如像星際爭(zhēng)霸、魔獸爭(zhēng)霸之類的即時(shí)戰(zhàn)略游戲，都是使用這個(gè)算法來(lái)計(jì)算單位的運(yùn)動(dòng)軌跡的。

2.局部規(guī)劃

當(dāng)然，僅僅規(guī)劃了路徑還是不夠的，現(xiàn)實(shí)中會(huì)有很多突發(fā)情況，比如正巧有個(gè)小孩子擋道了，就需要調(diào)整原先的路徑。

當(dāng)然，有時(shí)候這種調(diào)整并不需要重新計(jì)算一遍全局路徑，機(jī)器人可能稍微繞一個(gè)彎就可以。此時(shí)，我們就需要另一個(gè)層次的規(guī)劃模塊，叫做局部規(guī)劃。

它可能并不知道機(jī)器人最終要去哪，但是對(duì)于機(jī)器人怎么繞開(kāi)眼前的障礙物特別在行。

3.已知地圖（A*）與未知地圖（D*）算法

這兩個(gè)層次的規(guī)劃模塊協(xié)同工作，機(jī)器人就可以很好的實(shí)現(xiàn)從A點(diǎn)到B點(diǎn)的行動(dòng)了，不過(guò)實(shí)際工作環(huán)境下，上述配置還不夠。

比如A＊算法規(guī)劃的路徑是根據(jù)已知地圖，預(yù)先規(guī)劃好的，一旦機(jī)器人前往目的地的過(guò)程中遇到了新的障礙物，就只好完全停下來(lái)，等待障礙物離開(kāi)或者重新規(guī)劃路徑了。如果掃地機(jī)器人買回家，必須先把屋子都走一遍以后才肯掃地，那用戶體驗(yàn)就會(huì)很差。

為此，也會(huì)有針對(duì)這類算法的改進(jìn)，比如SLAMWARE內(nèi)我們采用改良的D*算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，這也是美國(guó)火星探測(cè)器采用的核心尋路算法。這是一種動(dòng)態(tài)啟發(fā)式路徑搜索算法，它讓機(jī)器人在陌生環(huán)境中行動(dòng)自如，在瞬息萬(wàn)變的環(huán)境中游刃有余。

D*算法的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要預(yù)先探明地圖，機(jī)器人可以和人一樣，即使在未知環(huán)境中，也可以展開(kāi)行動(dòng)，隨著機(jī)器人不斷探索，路徑也會(huì)時(shí)刻調(diào)整。

4.空間覆蓋（space coverage）

以上是目前大部分移動(dòng)機(jī)器人都需要的路徑規(guī)劃算法，而掃地機(jī)器人作為最早出現(xiàn)在消費(fèi)市場(chǎng)的服務(wù)機(jī)器人之一，它需要的路徑規(guī)劃算法更為復(fù)雜。

一般來(lái)說(shuō)，掃地機(jī)需要這么幾個(gè)規(guī)劃能力：貼邊打掃、折返的工字形清掃以及沒(méi)電時(shí)候自主充電。單單依靠前面介紹的D*這類算法，無(wú)法滿足這些基礎(chǔ)需要。

掃地機(jī)器人還需要有額外的規(guī)劃算法，比如針對(duì)折返的工字形清掃，有很多問(wèn)題要處理。掃地機(jī)如何最有效進(jìn)行清掃而不重復(fù)清掃？如何讓掃地機(jī)和人一樣，理解房間、門、走廊這種概念？

針對(duì)這些問(wèn)題，學(xué)術(shù)界長(zhǎng)久以來(lái)有一個(gè)專門的研究課題，叫做空間覆蓋（space coverage），同時(shí)也提出了非常多的算法和理論。其中，比較有名的是Morse Decompositions，掃地機(jī)通過(guò)它實(shí)現(xiàn)對(duì)空間進(jìn)行劃分，隨后進(jìn)行清掃。