移動(dòng)機(jī)器人SLAM技術(shù)

摘 要 在太空探索宇航領(lǐng)域、工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域、以及軍事服務(wù)等領(lǐng)域移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)有著廣泛的發(fā)展前景。SLAM技術(shù)的是simultaneous localization and mapping的縮寫，即時(shí)定位與地圖構(gòu)建。也可以叫做Concurrent Mapping and Localization并發(fā)建圖與定位，縮寫為CML。本文以移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境下的SLAM技術(shù)問題為主要研究對(duì)象，探析了SLAM技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人上的應(yīng)用。總結(jié)了SLAM技術(shù)問題以及相關(guān)的研究現(xiàn)狀，分析了SLAM技術(shù)存在的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述現(xiàn)有SLAM技術(shù)解決方法在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)及展望。

【關(guān)鍵詞】移動(dòng)機(jī)器人 同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建 發(fā)建圖與定位 SLAM技術(shù)

1 相關(guān)概念及研究意義

移動(dòng)機(jī)器人的并發(fā)建圖與定位操作技術(shù)是當(dāng)前自主導(dǎo)航技術(shù)研究領(lǐng)域中的基礎(chǔ)問題之一，也是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化的前提條件，即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)并成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。移動(dòng)機(jī)器人從空間層面上分，可以分為陸地操作移動(dòng)機(jī)器人、水下操作移動(dòng)機(jī)器人、空中操作移動(dòng)機(jī)器人三大層次領(lǐng)域。

SLAM技術(shù)是指設(shè)備在移動(dòng)的過程中可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)定位與地圖建模的操作功能。SLAM技術(shù)可以描述為移動(dòng)機(jī)器人放在一個(gè)未知的特定環(huán)境區(qū)域中，由一個(gè)隨機(jī)的未知的位置，也就是起始點(diǎn)開始自由移動(dòng)。機(jī)器人在移動(dòng)過程中可以通過位置信息進(jìn)行估算，然后在地圖中進(jìn)行數(shù)據(jù)信息匹配實(shí)現(xiàn)自身定位功能操作。同時(shí)，在自身定位的基礎(chǔ)上實(shí)時(shí)的對(duì)地圖進(jìn)行增量式的地圖信息更新操作。從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境中能自主定位和導(dǎo)航操作。在這個(gè)自主定位和導(dǎo)航移動(dòng)的操作過程中，機(jī)器人沒有受到外部環(huán)境先驗(yàn)知識(shí)的協(xié)同幫助，而移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中所使用的地圖模型和自身的定位功能都依賴于該機(jī)器人自身所賦予的算法和外部的傳感器來實(shí)現(xiàn)。SLAM技術(shù)主要的研究意義就是指在于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航的操作功能。

2 SLAM技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 在陸地移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域即室內(nèi)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

室內(nèi)機(jī)器人領(lǐng)域是最早使用到SLAM時(shí)定位與地圖構(gòu)建相關(guān)的技術(shù)。而掃地移動(dòng)機(jī)器人要算是眾多移動(dòng)機(jī)器人里最早用到SLAM技術(shù)一批了。比如在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有以下幾家企業(yè)已經(jīng)把SLAM時(shí)定位與地圖構(gòu)建相關(guān)的技術(shù)使用到了相關(guān)的產(chǎn)品中了。例如塔米、科沃斯等掃地移動(dòng)機(jī)器人通過使用用SLAM算法的基礎(chǔ)上結(jié)合激光雷達(dá)或者攝像頭的方法，讓掃地移動(dòng)機(jī)氣人可以實(shí)現(xiàn)高效繪制室內(nèi)地圖，然后進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)處理，智能分析數(shù)據(jù)和規(guī)劃掃地環(huán)境中的移動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)掃地機(jī)器人的智能導(dǎo)航操作功能。SLAM技術(shù)的出現(xiàn)，引領(lǐng)了陸地移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域即室內(nèi)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展。

2.2 在空中移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域即無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)，大家熟知的大疆無人機(jī)在相關(guān)技術(shù)上也用到了SLAM即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)。而大疆精靈四這款無人機(jī)的避障用的雙目視覺和超聲波技術(shù)中就應(yīng)用了SLAM即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)。一位大疆企業(yè)內(nèi)的工程師在百度百家的撰文里坦率承認(rèn)“P4里面呈現(xiàn)的主動(dòng)避障功能就是一種非常非常典型的SLAM即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)的弱應(yīng)用，無人機(jī)只需要知道障礙物在哪，就可以進(jìn)行自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖信息更新，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航操作功能。并且可以實(shí)現(xiàn)自主性繞開障礙物。當(dāng)然Slam能做的事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，包括災(zāi)區(qū)救援，包括探洞，包括人機(jī)配合甚至集群，所有的關(guān)于無人機(jī)的夢(mèng)想都建立在Slam之上，這是無人機(jī)能飛（具有定位，姿態(tài)確定以后）的時(shí)代以后，無人機(jī)最核心的技術(shù)。”

在國(guó)外，hover camera無人機(jī)，因?yàn)槠鋭?chuàng)始人的的計(jì)算機(jī)視覺背景，正式把SLAM技術(shù)應(yīng)用進(jìn)來了。在介紹他們無人機(jī)的主要產(chǎn)品技術(shù)時(shí)，提到了SLAM即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)，通過感知自身周圍環(huán)境來構(gòu)建3D增量式地圖數(shù)據(jù)和信息，從而實(shí)現(xiàn)自主定位和導(dǎo)航功能操作。在美國(guó)一定范圍內(nèi)對(duì)SLAM即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)引起了很大的影響，也促進(jìn)了人們對(duì)SLAM即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)的認(rèn)知。

2.3 在陸地移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域即無人駕駛技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

因?yàn)镚oogle無人駕駛車的科普效應(yīng)，很多人都知道了基于激光雷達(dá)技術(shù)的Lidar Slam。Lidar Slam是指利用激光雷達(dá)作為外部傳感器，獲取地圖數(shù)據(jù)，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)同步定位與地圖構(gòu)建。雖然成本高昂，但目前為止是該技術(shù)領(lǐng)域中穩(wěn)定性最好、可靠性更穩(wěn)定、綜合性能最好的SLAM方式。另外，2011 年，牛津大學(xué)Mobile Robotics Group 首次向公眾展示他們的第一輛無人駕駛汽車野貓Wildcat，這是一輛由 Bowler Wildcat 4X4 改裝而成的車。汽車頭頂?shù)南鄼C(jī)和激光能夠搜集信息然后即時(shí)分析導(dǎo)航，已經(jīng)成功通過了測(cè)試。2014 年，他們改裝的一輛 Nissan 的 Leaf 也成功路測(cè)。Mobile Robotics Group主要研究領(lǐng)域是大規(guī)模的導(dǎo)航和對(duì)自然場(chǎng)景理解。據(jù)稱，團(tuán)隊(duì)所擁有的技術(shù)也是非常穩(wěn)定，其復(fù)雜和先進(jìn)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般的同步定位與地圖構(gòu)建SLAM算法。可圈可點(diǎn)的是，對(duì)于無人駕駛技術(shù)，他們并沒有使用 GPS 或者是嵌入式的基礎(chǔ)設(shè)施信標(biāo)之類，而是使用算法來導(dǎo)航，包括機(jī)器學(xué)習(xí)和概率推理來建立周圍的地圖等。

3 總結(jié)展望

本文以移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境下的SLAM技術(shù)問題為主要研究對(duì)象，探析了SLAM技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人上的應(yīng)用。總結(jié)了SLAM技術(shù)問題以及在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用為研究對(duì)象探析了并發(fā)建圖與定位的技術(shù)現(xiàn)狀，分析了SLAM技術(shù)存在的優(yōu)缺點(diǎn)。隨著SLAM技術(shù)的不斷發(fā)展，無人駕駛及操作控制技術(shù)會(huì)更加完善。而相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)品也會(huì)在并發(fā)建圖與定位技術(shù)不斷完善的基礎(chǔ)上不斷得到發(fā)展和生產(chǎn)使用。移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際的工作環(huán)境基本以動(dòng)態(tài)為主，并且路標(biāo)的數(shù)目也會(huì)因環(huán)境不同或者視野受限而受到制約，這就需要有更加完善的SLAM同步自定位與地圖創(chuàng)建技術(shù)來支撐。

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作者簡(jiǎn)介

孫博雅（1992-），女，吉林省長(zhǎng)春市人。碩士研究生學(xué)歷。主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人測(cè)控技術(shù)。

作者單位

長(zhǎng)春理工大學(xué) 吉林省長(zhǎng)春市 130022