基于單目視覺(jué)SLAM的無(wú)人快遞車(chē)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

霍彥希 張誠(chéng)誠(chéng) 董振宇 陳偉 張志捷

摘 要 為了解決快遞行業(yè)“最后一公里”耗時(shí)耗力難題，文章介紹了一種基于單目視覺(jué)SLAM的無(wú)人快遞車(chē)的設(shè)計(jì)方案，以O(shè)penCR為控制核心，以無(wú)線WiFi技術(shù)為信息收發(fā)媒介，以單目SLAM技術(shù)為同時(shí)定位與地圖構(gòu)建基礎(chǔ)，利用移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)，使無(wú)人快遞車(chē)與快遞員和收件人友好交互，完成路徑規(guī)劃并自主導(dǎo)航寄送快遞，實(shí)現(xiàn)高效便捷寄收快遞，具有成本低廉、操作簡(jiǎn)單、簡(jiǎn)潔高效等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 同時(shí)定位與地圖構(gòu)建；移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航；路徑規(guī)劃

中圖分類(lèi)號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2019）232-0117-02

一種基于單目SLAM的無(wú)人快遞車(chē)能自主導(dǎo)航，將快遞員投遞到快遞柜的物品送至目的地，并在沿途能主動(dòng)避障并重新規(guī)劃，這樣就大大提高了快遞員的效率，也給收件人提供了便利。

1 無(wú)人快遞車(chē)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)功能需求，需要設(shè)計(jì)服務(wù)端模塊，人機(jī)交互模塊，構(gòu)圖和導(dǎo)航模塊，底層運(yùn)動(dòng)控制模塊。對(duì)于PC及移動(dòng)終端，其與OpenCR開(kāi)發(fā)板和服務(wù)端選擇使用無(wú)線通信。OpenCR開(kāi)發(fā)板與傳感器和里程計(jì)模塊選擇對(duì)應(yīng)的USB接口或者串口。無(wú)人快遞車(chē)可完成以下功能：快遞員與無(wú)人快遞車(chē)進(jìn)行交互，將快遞寄存在無(wú)人快遞車(chē)的快遞柜中，無(wú)人快遞車(chē)根據(jù)物流信息從服務(wù)端獲取收件人地址，自動(dòng)導(dǎo)航至目的地址附近，將開(kāi)柜二維碼加密后發(fā)送至收件人手機(jī)App并發(fā)送驗(yàn)收提醒。收件人憑借二維碼開(kāi)柜提取貨物確認(rèn)簽收。使用分模塊設(shè)計(jì)，將敏感信息存儲(chǔ)在服務(wù)端，使敏感信息泄露可能性降低，簡(jiǎn)化了快遞員操作流程，保護(hù)了收件人的隱私。

2 構(gòu)圖和導(dǎo)航模塊

2.1 地圖構(gòu)建模塊

快遞員在首次使用無(wú)人快遞車(chē)前操控?zé)o人快遞車(chē)在工作區(qū)域進(jìn)行地圖構(gòu)建。無(wú)人快遞車(chē)在構(gòu)圖過(guò)程中啟動(dòng)激光雷達(dá)掃描外部環(huán)境，標(biāo)記行駛過(guò)程中的障礙物體，將地圖保存在內(nèi)存中。

基本工作原理為，激光掃描模塊利用Gmapping算法中使用的一種高效的Rao-Blackwellized粒子濾波將收取到的激光測(cè)距數(shù)據(jù)最終轉(zhuǎn)換為柵格地圖。粒子濾波要經(jīng)歷初始化、轉(zhuǎn)移、決策、重采樣、濾波、地圖生成6個(gè)階段。

在構(gòu)圖過(guò)程中采用激光雷達(dá)進(jìn)行閉環(huán)檢測(cè)。因?yàn)榈缆穲?chǎng)景比較復(fù)雜，因此地圖構(gòu)建過(guò)程中選擇車(chē)流量較少的時(shí)候進(jìn)行地圖構(gòu)建，減少干擾因素，提高激光掃描匹配的成功率和準(zhǔn)確度。匹配算法采用Olson算法。SLAM構(gòu)建的靜態(tài)環(huán)境地圖將作為無(wú)人快遞車(chē)路徑規(guī)劃和導(dǎo)航過(guò)程中的靜態(tài)基準(zhǔn)地圖。無(wú)人快遞車(chē)在導(dǎo)航過(guò)程將根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)在靜態(tài)基準(zhǔn)地圖的基礎(chǔ)上不斷更新動(dòng)態(tài)地圖。如果遇到道路堵塞時(shí)將暫時(shí)更新靜態(tài)的地圖并覆蓋原先的靜態(tài)基準(zhǔn)地圖。

2.2 導(dǎo)航與避障模塊

無(wú)人快遞車(chē)根據(jù)激光雷達(dá)構(gòu)建的靜態(tài)地圖作為路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)。根據(jù)從服務(wù)端獲取的當(dāng)前收件人地址，無(wú)人快遞車(chē)將其標(biāo)記在靜態(tài)地圖中，采用ROS中的Gmapping算法生成最佳導(dǎo)航路徑，并沿此路徑寄送快遞。在導(dǎo)航過(guò)程中啟用激光雷達(dá)不斷更新地圖，當(dāng)遇到移動(dòng)速度較快的動(dòng)態(tài)物體時(shí)，無(wú)人快遞車(chē)根據(jù)單目相機(jī)多次掃描的結(jié)果預(yù)判是否有可能與其相撞。無(wú)人快遞車(chē)根據(jù)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡重新規(guī)劃當(dāng)前導(dǎo)航路徑進(jìn)行主動(dòng)避讓?zhuān)瑫r(shí)不斷測(cè)試當(dāng)前物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，一旦無(wú)法避讓?zhuān)瑒t立即停止直到運(yùn)動(dòng)物體原理沖突路徑后再啟動(dòng)導(dǎo)航模塊。

當(dāng)無(wú)人快遞車(chē)檢測(cè)到道路阻塞之后，無(wú)人快遞車(chē)將利用傳感器傳回的數(shù)據(jù)更新局部地圖，然后在更新后的地圖的基礎(chǔ)上重新規(guī)劃一條可行路徑。當(dāng)所有路徑均不可行時(shí)，無(wú)人快遞車(chē)將退出此次導(dǎo)航，選擇下一收貨人地址進(jìn)行配送。

2.3 里程計(jì)模塊

無(wú)人快遞車(chē)的里程計(jì)基于OpenCV中特征點(diǎn)的提取和匹配。采用SIFT特征點(diǎn)算法，使用組和層的結(jié)構(gòu)在尺度空間上構(gòu)建高斯差分金字塔；然后探索上一步建立的高斯尺度空間；通過(guò)高斯差分來(lái)識(shí)別潛在的對(duì)尺度和旋轉(zhuǎn)不變的特征點(diǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)極值檢測(cè)及特征點(diǎn)的定位；基于圖像局部的梯度方向，分配給每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位置一個(gè)或多個(gè)方向?qū)μ卣鞣较蜻M(jìn)行賦值。通過(guò)上述步驟找到的SIFT特征點(diǎn)的位置、方向、尺度信息，最后使用一組向量來(lái)描述特征點(diǎn)及其周?chē)徲蛳袼氐男畔⒆罱K生成特征描述子。特征點(diǎn)的匹配分為3個(gè)步驟：提取圖像中的關(guān)鍵點(diǎn)，根據(jù)得到的關(guān)鍵點(diǎn)的位置計(jì)算特征點(diǎn)的描述子，根據(jù)特征點(diǎn)的描述子進(jìn)行匹配。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 寄送模塊

快遞員將貨物寄存在無(wú)人快遞車(chē)的快遞柜時(shí)，無(wú)人快遞車(chē)把快遞柜門(mén)的編號(hào)發(fā)送到服務(wù)端，服務(wù)端生成一個(gè)二維碼發(fā)送到收件人的手機(jī)App，并把二維碼和對(duì)應(yīng)快遞柜門(mén)的編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系存儲(chǔ)起來(lái)，快遞員將所有的貨物寄存結(jié)束后設(shè)定無(wú)人快遞車(chē)開(kāi)始寄送快遞。

本模塊設(shè)計(jì)采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)，在main（）函數(shù)中初始化變量。然后進(jìn)入等待while（true）循環(huán)，依次經(jīng)過(guò)等待輸入指令函數(shù)、確認(rèn)貨物入柜函數(shù)、生成二維碼并發(fā)送提醒函數(shù)。這個(gè)三函數(shù)在while（true）中循環(huán)，當(dāng)快遞員完成投遞并輸入開(kāi)始工作指令后，無(wú)人快遞車(chē)將開(kāi)始進(jìn)入自動(dòng)導(dǎo)航寄送狀態(tài)。無(wú)人快遞車(chē)提取當(dāng)前所送貨物的目的地址并在靜態(tài)地圖上標(biāo)注，自動(dòng)規(guī)劃當(dāng)前位置到目的地址的最佳路徑并啟動(dòng)自動(dòng)導(dǎo)航，在寄送過(guò)程中通過(guò)激光距離傳感器模塊和視覺(jué)傳感器模塊不斷更新地圖并優(yōu)化導(dǎo)航路徑。

3.2 送達(dá)提示模塊

車(chē)輛每隔1秒檢測(cè)自身的位置，當(dāng)檢測(cè)到目的地與自身位置的距離小于預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，執(zhí)行送達(dá)提示函數(shù)，無(wú)人快遞車(chē)給收件人發(fā)送二維碼和驗(yàn)收提醒消息，收件人憑借二維碼打開(kāi)相應(yīng)的快遞柜，提取貨物并關(guān)閉快遞柜完成取貨操作。無(wú)人快遞車(chē)開(kāi)始自主導(dǎo)航至下一收件人地址，直到所有快遞寄送完成后返回快遞員預(yù)先指定地址。

本模塊包括定位查詢函數(shù)和驗(yàn)收提醒函數(shù)。在寄送狀態(tài)中定位查詢函數(shù)負(fù)責(zé)查詢當(dāng)前位置與目標(biāo)位置的距離是否小于設(shè)定閾值，當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前位置與目標(biāo)位置的距離小于設(shè)定閾值時(shí)，驗(yàn)收提醒函數(shù)利用無(wú)人快遞車(chē)中內(nèi)置的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)端驗(yàn)收提醒函數(shù)API接口發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)端將驗(yàn)收消息推送到對(duì)應(yīng)收件人手機(jī)App中。收件人憑自己手機(jī)上的二維碼在無(wú)人快遞車(chē)的二維碼掃描儀前掃描，無(wú)人快遞車(chē)根據(jù)二維碼的信息向服務(wù)端發(fā)送請(qǐng)求獲取對(duì)應(yīng)快遞柜門(mén)的編號(hào)打開(kāi)對(duì)應(yīng)的快遞柜門(mén)，收件人完成取貨后無(wú)人快遞車(chē)將對(duì)未送的快遞進(jìn)行排序，選擇距離當(dāng)前位置最近的收件人地址進(jìn)行派送，并開(kāi)始重新規(guī)劃路徑。

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