雷鋒網(wǎng) (公眾號：雷鋒網(wǎng)) 按：本文作者SLAMTEC(思嵐科技公號slamtec-sh)技術(shù)顧問，專注SLAM及相關(guān)傳感器研發(fā)應(yīng)用。
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(Grid map)或者稱為Occupancy Map。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Alberto Elfes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，就會建立這樣的拓?fù)涞貓D：
