機(jī)器人自主移動(dòng)的秘密，從SLAM技術(shù)說起

　　智能服務(wù)機(jī)器人正成為行業(yè)的風(fēng)口浪尖，從清掃機(jī)器人開始，家庭陪伴機(jī)器人、送餐機(jī)器人等陸續(xù)進(jìn)入公眾視線。在討論這類機(jī)器人是否能解決實(shí)際問題時(shí)，自主定位導(dǎo)航技術(shù)作為機(jī)器人智能化的第一步正不斷引起行業(yè)內(nèi)的重視。同時(shí)，作為自主定位導(dǎo)航技術(shù)的重要突破口，SLAM技術(shù)也成為關(guān)注焦點(diǎn)。

　　正如圖中所示，機(jī)器人自主定位導(dǎo)航技術(shù)中包括定位、地圖創(chuàng)建與路徑規(guī)劃（運(yùn)動(dòng)控制），而SLAM本身只是完成機(jī)器人的定位和地圖創(chuàng)建，二者有所區(qū)別。

　　那么，SLAM技術(shù)究竟是如何實(shí)現(xiàn)的？它有哪些難點(diǎn)？機(jī)器人如何實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和自動(dòng)導(dǎo)航？到底什么樣的掃地機(jī)器人才算智能？

　　這些問題，小編將為你一一解答，帶領(lǐng)大家了解機(jī)器人自主移動(dòng)的秘密。

　　今天，我們先從SLAM說起。

　　SLAM是同步定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous LocalizaTIon And Mapping）的縮寫，最早由Hugh Durrant-Whyte和John J.Leonard提出。

　　其實(shí)，SLAM更像是一個(gè)概念而不是一個(gè)算法，它本身包含許多步驟，其中的每一個(gè)步驟均可以使用不同的算法實(shí)現(xiàn)。主要用于解決移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境中運(yùn)行時(shí)即時(shí)定位與地圖構(gòu)建的問題。

　　當(dāng)你身處異地，怎么準(zhǔn)確找到想去的地方？在戶外迷路時(shí)，怎么找到回家的路？沒錯(cuò)，我們有導(dǎo)航軟件和戶外地圖。

　　和人類繪制地圖一樣，機(jī)器人描述環(huán)境、認(rèn)識環(huán)境的過程主要就是依靠地圖。它利用環(huán)境地圖來描述其當(dāng)前環(huán)境信息，并隨著使用的算法與傳感器差異采用不同的地圖描述形式。

　　機(jī)器人學(xué)中地圖的表示方法有四種：柵格地圖、特征地圖、直接表征法以及拓?fù)涞貓D。

　　1、柵格地圖

　　機(jī)器人對環(huán)境地圖的描述的方式最常見的為柵格地圖（Gridmap）或者稱為OccupancyMap。柵格地圖就是把環(huán)境劃分成一系列柵格，其中每一柵格給定一個(gè)可能值，表示該柵格被占據(jù)的概率。

　　這種地圖看起來和人們所認(rèn)知的地圖沒什么區(qū)別，它最早由NASA的AlbertoElfes在1989年提出，在火星探測車上就用到過，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。

　　一般來說，采用激光雷達(dá)、深度攝像頭、超聲波傳感器等可以直接測量距離數(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距離測量傳感器、超聲波（早期）、激光雷達(dá)（現(xiàn)在）繪制出來。

　　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，常見于vSLAM（視覺SLAM）技術(shù)中。

　　相比柵格地圖，這種地圖看起來就不那么直觀了。它一般通過如GPS、UWB以及攝像頭配合稀疏方式的vSLAM算法產(chǎn)生，優(yōu)點(diǎn)是相對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量和運(yùn)算量比較小，多見于最早的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)通過簡單處理拼接形成地圖，相對來說更加直觀。

　　4、拓?fù)涞貓D

　　拓?fù)涞貓D，是一種相對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，多采用這種地圖來解決機(jī)器人定位問題。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。

　　當(dāng)你打開手機(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)定位問題中，由于通過機(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，常見的測距單元包括激光測距、超聲波測距以及圖像測距三種。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，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（慣性測量單元）、里程計(jì)來為激光雷達(dá)提供輔助數(shù)據(jù)，這一過程的運(yùn)算消耗是巨大的，傳統(tǒng)上需要PC級別的處理器，這也成為限制SLAM廣泛應(yīng)用的瓶頸之一。