激光SLAM 在AGV 平臺構建地圖及處理異常的應用

覃 雄，陳家銳

（1.廣西沐邦高科新能源有限公司，廣西 梧州 543000；2.梧州職業學院，廣西 梧州 543000）

1 激光SLAM 概述

SLAM 是Simultaneous Localization and Mapping的英文縮寫，即為同步定位與建圖[1]，是AGV 在沒有完全啟動之前在環境中進行地圖創建，利用AGV 原有的輪廓激光傳感器對環境的輪廓進行掃描，然后根據掃描的輪廓生成環境物理地圖。AGV 依據生成的輪廓地圖實現自主定位，通過激光測距并結合SLAM算法規劃AGV 行駛的路線。

激光SLAM 建圖主要是依賴于事先離線的地圖文件，因此在SLAM 建圖之前需要確保建圖環境必須滿足以下的條件：

（1）建圖環境中的輪廓特征需要顯著突出，有利于AGV 掃掠定位，比如：柱狀物體、長方體等棱角輪廓顯著的物體。

（2）在建圖環境中，沒有規模成片影響定位的物體，如透明玻璃、強反射物體、大型網狀物體等，在此類環境中SLAM 建圖容易引發AGV 定位失誤，AGV走偏等非正常現象。

（3）SLAM 建圖結束后，建圖環境不能變動太大，否則影響使用。如工廠有大體積物體在建圖后進入，就要實施人員重新建圖。

（4）針對長距離的連續走廊環境，由于左右兩邊環境輪廓掃掠結果一樣，SLAM 建圖極其容易發生定位異常，在這種環境下建圖時需要實施人員提前對環境進行改造，在不同區域放置不同外形的物品，確保走廊不同位置掃掠輪廓具有明顯差異，避免出錯。

（5）SLAM 定位的精度沒有二維碼定位精確度高，并且SLAM 定位比較適用對定位精度要求不高的環境，對于密集型倉儲的環境不建議使用SLAM定位。

（6）第一次進行SLAM 建圖時，實施人員要將全部環境區域進行一次掃描：一是實施人員可使用SLAM 建圖小推車，二是實施人員也可以進行遙控AGV 移動的方式進行。需要特別注意是，進行建圖掃描時，必須要盡量覆蓋到所有AGV 行走路徑區域，對于特別關鍵位置務必進行重點掃描，并且所掃描的路線必須閉環，閉環區域要預留一定面積，最理想狀態是一個外凸形狀，從而提高SLAM 定位的精確度[2]。

（7）地圖構建結束后，如果每次場地環境變更較大時需要重新對原有地圖進行修改或補充，主要是確保構建的地圖與現場環境的吻合度一致，以提高SLAM 定位的精度。

2 SLAM 在線建圖方法及步驟

SLAM 建圖一般分為在線建圖和離線建圖兩種方法。在線建圖是指在建圖時，AGV 小車激光數據實時上傳到建圖客戶端進行定位數據處理，即時創建地圖[3]。經過系列應用及實戰研究，以M 公司應用研究為例，得出SLAM 在線建圖的方法及步驟如下：

（1）檢查IP 地址。確保AGV 小車端IP 與電腦端IP 要在同一個網段。在線建圖前的準備，由于激光采集的數據信息量很大，所以需要利用通信數據線將AGV 和電腦連接起來，這里要特別注意。

（2）連接SLAM 客戶端。雙擊“EXE 啟動按鈕”，在頁面中點擊“設置”選項，選擇“顯示機器人面板”，然后調出AGV 的登錄界面。在AGV 界面中對應輸入AGV 的固定IP，端口碼通常為默認，無需變動，然后點擊“連接小車”選項，在完成客戶端與小車的連接之后，界面就會顯示出AGV 小車信息的界面。

（3）工作模式選擇。“工作模式”要選擇“構建地圖”選項的模式，假設當前顯示是其他工作模式時，AGV 小車會自動進行重啟，此時需要等待AGV 啟動結束后，再進行一次連接客戶端操作。

（4）修改激光配置信息。點擊“設置”，找到“激光配置”信息，需要確認板面上顯示的激光參數要與實際AGV 激光參數保持一致；如果不一致，需要修改，并點擊“修改配置”選項進行保存。

（5）在線采集。完成以上操作之后，可以在SLAM客戶端頁面中點擊“在線采集”選項，這樣實施人員就可以進行建圖了。

注意事項：①進行建圖前需確保AGV 小車與環境邊界平行，防止建好的地圖與實際環境邊界形成角度；②實施人員注意緩慢勻速推動AGV 小車前進，需要將AGV 行走路徑區域的環境要全部掃描到位；③掃描到有轉彎環境時，要保證AGV 小車有足夠大的運行軌跡弧線，掃描完成時的終點要和起始位置要求形成一個具有圓形的閉環；④完成采集后要及時保存。

3 建圖結果檢驗

3.1 地圖一致性檢驗

通常是在實施人員完成建圖后，就需要對所建的地圖進行有效性檢驗，其主要目的是為了避免存在異常輪廓數據地圖被使用，導致AGV 導航定位發生異常[4]。經過研究，總結出主要判定原則，讓SLAM 地圖構建者更好地對已構建的地圖進行評價，確定地圖的可用性，避免構建存在有異常或不可用的地圖。因此需要對地圖進行一致性檢驗。

所謂的地圖一致性，可以解釋為同一物體在地圖中應當只存在一個輪廓特征與之對應，即地圖輪廓數據的唯一性。地圖一致性是判斷地圖構建結果最關鍵指標之一，主要用于檢驗建圖的重復精度。地圖出現不一致的根本原因是AGV 經過同一位置時的定位結果差異較大，導致映射到地圖上本應是相同輪廓的物體處于不同的位置現象。地圖一致性不達標原因有：

（1）未進行閉環檢測導致地圖不一致。當同一物體構建出了兩個輪廓時，這種情況就是最常見的地圖不一致現象。當這種情況出現時，一般是因為在采集數據構建地圖時實施人員沒有及時進行閉環操作，從而導致累積誤差一直存在，沒有消除的累積誤差直接造成地圖的不一致。

（2）閉環檢測出錯導致地圖不一致。此外，錯誤的閉環檢測也會有可能導致建圖的不一致。例如在較長走廊環境構建地圖時，就會極其容易出現錯誤閉環檢測。小車在長走廊內發生“綁架”，導致地圖構建結果的不一致。這種情況即使閉環也無法消除誤差，當出現這種情況時，需要在長走廊內粘貼反光板并重新采集數據進行建圖或者在長走廊放置不同的標識物體，借助反光板輔助定位來避免AGV 被“綁架”，如圖1所示。

圖1 AGV 被“綁架”現象的典型地圖

3.2 地圖絕對位置檢驗

地圖的絕對位置檢驗主要用于檢驗地圖的絕對精度。通常由于測量手段存在的缺陷，一般來說，這種檢驗需要借助現場已有的精準尺寸的布局圖或CAD圖紙結合來進行評估。但是，由于遮擋的原因，布局圖或CAD 圖紙上的墻壁在SLAM 地圖中的輪廓可能會不完整，這也會對評估絕對位置造成一定的影響。

4 建圖異常環境評估及改造

當AGV 在實際工作運行中頻繁出現異常的時候，尤其是在雷達激光測量出現異常情況時，比如存在鐵絲網、細小物體、網體的工作環境，在這種環境中頻繁出現激光檢測異常時，則需要對工作環境進行改造后，才能保證激光測量的穩定性，提高SLAM 定位的穩定性。

4.1 細小物體導致的建圖異常及改善措施

異常原因：通常來說，為保證激光回波數據的穩定性，激光光束截面一般都呈現一個錐形測量的光斑，且隨著激光距離的增大，維形光斑尺寸隨著增大，以保證遠距離的障礙物也有足夠的回波以實現穩定的距離測量。基于這種測距原理方式，當被測物體的尺寸小于激光光斑大小，表明該物體的反射面較小，反射較弱，容易導致激光測量的不穩定。針對這種環境導致的異常情況，需要做的措施是：可以在鐵絲網或者細小物體存在區域固定上普通材質的板材，加大被測物體面積尺寸；或者在環境中合適位置貼上反光板，利用反光板來輔助檢測定位，提高激光測量的穩定性[5]。

4.2 透明物體導致的建圖異常及改善措施

在建圖環境中，當環境存在比較透明物體時，比如玻璃物體，將會產生異常，異常機理如圖2 所示。

圖2 透明環境的異常機理

（1）異常原因：①當激光的檢測光束打到玻璃物時，因玻璃是透光，只有小部分脈沖能量被玻璃立即反射回去，而大部分脈沖則會投射到靠玻璃后方的物體上；②如果玻璃后方反射物體的回波強度比玻璃回波強度大時，則激光返回的測距結果就為后方物體的測量距離，反之則為玻璃的測量距離；③如①、②所述，在這種環境場合情況下，容易導致激光測量的物體距離存在不確定性因素，進而也會導致測量數據的不穩定。綜上所述，對存在透明物體的環境，導致建圖異常的根本原因就是材料透光性[6]。

（2）異常處理方法：為了解決透明物體透光特性，避免激光SLAM 檢測異常，最有效的方法就是：①在透明物體區域貼上不透明或者半透明指定材質，以用來保證激光光束不能全部透射過去，提高測量穩定性；②在環境中合適位置貼上反光板，輔助定位。總之，就是讓透明的物體改造成不透明或半透明或漫反射表面。

4.3 鏡面反射導致的建圖異常及改善措施

在建圖環境中，可能存在容易發生鏡面反射的物體，如反射鏡子、光亮不銹鋼等[7]。

異常原因：當激光光束打到鏡面反射較強的物體時，大部分脈沖能量被鏡面反射到另一個方向，此時如果激光入射角較大的時候，反射波角度與入射波差異很大，導致激光雷達無法接收到反射波激光測距無效。因此，在存在鏡面反射情景建圖時，容易導致建圖異常，應該避免。

異常處理方法：在鏡面反射區域貼上不透明或者半透明指定材質（一般為漫反射）的貼紙，以保證激光光束不能透射過去，提高測量穩定性[8]：或者在環境中合適位置貼上反光板，輔助定位，提高SLAM 定位精確度。

5 導致激光SLAM 導航算法異常的場景

5.1 環境頻繁變化的場景

異常原因：激光SLAM 定位基于當前觀測激光輪廓數據與事先構建完成的SLAM 地圖進行匹配得到，當場景變動頻繁時，這種情況極其容易導致觀測的激光輪廓數據與SLAM 地圖重合度較低，降低激光SLAM 定位精度。尤其是在倉儲環境下，因為倉庫里面的貨架、AGV 較多、以及AGV 相互間遮擋激光數據等，且有效特征輪廓也比較少，這種環境下的激光SLAM 定位精度也不高。

解決方案：在倉儲環境這種高密度環境一般不建議使用激光SLAM 導航方式，例如采購固定磁條軌跡導航方案。

5.2 激光發射面高度附近輪廓差異大

異常原因：由于激光束為逐漸擴張的錐形，由于AGV 車身抖動、地面起伏不平、激光傾角等因素，可能會導致激光測量光斑在測量點附近上下擺動。因此，當激光測到上下不一致的物體時，因激光光斑的移動導致不同位置激光測量的實際點位產生較大偏差，激光呈現不規則形狀。

解決方案：像這種問題應盡量在產品設計層面解決，保證激光傾角在合適范圍（上翹0.5°左右），并且激光安裝高度盡量在輪廓穩定的高度附近。當SLAM AGV 車型已經確定，建圖實施人員應當評估現場機臺高度、場地環境的輪廓，特別是激光高度附近的輪廓，確定SLAM 激光測量高度附近輪廓的穩定性。

6 結語

對激光SLAM 在AGV 平臺構在線建圖的應用及研究得到：（1）提出SLAM 構建地圖準備工作要點以及SLAM 建圖結果可用性評價關鍵點；（2）提出SLAM建圖環境異常原因及改進解決方案；（3）提出導致激光SLAM 導航算法異常的場景。研究成果對于激光SLAM 構建地圖實施者具有一定的學習指導意義。

此外，為了進一步改善激光SLAM 在AGV 平臺構建地圖精度及效率，需要從實施技術、組織管理、技術推廣培訓等多方面入手。提高項目實施技術水平，是根本上提高地圖精度及建圖效率的方法。通過組織管理，避免生產過程、來料過程、倉庫存儲等環節對激光SLAM 在AGV 平臺構建地圖產生精度影響，可以減少約90%環境因素的誤判。技術推廣培訓，則是讓生產全員提高技術素養，避免生產工認識不足導致誤操作，避免造成人為錯誤。全方位綜合提升，才是解決建圖異常問題最有效最根本的手段。