一種基于SLAM 算法的移動(dòng)機(jī)器人

劉力瑋 馬振興 張志輝 謝淋東 張國(guó)續(xù)

（河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng)471003）

1 概述

SLAM (simultaneous localization and mapping) 算法是一種實(shí)現(xiàn)定位并進(jìn)行地圖構(gòu)建的系統(tǒng)，ORB-SLAM2 算法是SLAM 發(fā)展過(guò)程中較為完善的一種算法，它囊括了機(jī)器人ORB 特征、多線程共同實(shí)現(xiàn)追蹤Tracking、地圖構(gòu)建LocalMapping 和關(guān)鍵幀KeyFrameshe 的提取。基于此，設(shè)計(jì)一種以SLAM算法為核心的移動(dòng)機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)構(gòu)建地圖并進(jìn)行路徑規(guī)劃，根據(jù)算法采用合理路線進(jìn)行移動(dòng)工作，及時(shí)反饋收集信息的功能。

該移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)激光雷達(dá)與Kinect相機(jī)作為傳感器收集地圖信息，使用ORB-SLAM2 系統(tǒng)進(jìn)行地圖構(gòu)建，篩選關(guān)鍵幀，探查障礙物及周邊環(huán)境，再將地圖網(wǎng)格化，篩選目標(biāo)路徑上的障礙點(diǎn)，結(jié)合Dijkstra算法進(jìn)行最優(yōu)路徑規(guī)劃。機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中，激光雷達(dá)時(shí)刻發(fā)出360°全覆蓋激光對(duì)地圖進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，配合Kinect 相機(jī)將探索畫面展現(xiàn)至操作終端顯示屏中，實(shí)時(shí)反饋信息。該移動(dòng)機(jī)器人結(jié)合機(jī)械、電控、傳感器于一體，是操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性高的機(jī)電一體化產(chǎn)物。

2 機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)分析

移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器視覺(jué)和機(jī)器人控制的有機(jī)結(jié)合，是一個(gè)非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，利用視覺(jué)傳感器得到圖像作為反饋信息，構(gòu)建而成的全閉環(huán)伺服反饋系統(tǒng)。ROS 機(jī)器人系統(tǒng)(Robot Operating System)可以提供環(huán)境感知、運(yùn)動(dòng)控制、路徑規(guī)劃等研究領(lǐng)域經(jīng)典并且前沿的算法代碼庫(kù)，可以加強(qiáng)機(jī)器人代碼的復(fù)用率的模塊化。該移動(dòng)機(jī)器人基于ROS 系統(tǒng)并通過(guò)激光雷達(dá)和Kinect 相機(jī)采集環(huán)境信息，在STM32 單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，借助ORB-SLAM2 系統(tǒng)構(gòu)建地圖，生成地圖關(guān)鍵幀，篩選目標(biāo)方向位置路線上的障礙物，再在系統(tǒng)中使用優(yōu)化算法進(jìn)行路徑路徑，避開(kāi)障礙物，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使機(jī)器人按規(guī)劃路徑移動(dòng)。由于激光雷達(dá)360°時(shí)刻發(fā)射激光進(jìn)行環(huán)境采集，機(jī)器人在整個(gè)工作過(guò)程中，時(shí)刻將采集的地圖信息反饋至操作系統(tǒng)的顯示界面，操作人員可通過(guò)操作系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人下達(dá)指令。機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

3 ORB-SLAM2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

地圖構(gòu)建需要激光雷達(dá)、Kinect 相機(jī)和ORB-SLAM2 系統(tǒng)共同完成。激光本身具有非常精確的測(cè)距能力，測(cè)距精度在厘米級(jí)別，探測(cè)精度高，在探測(cè)過(guò)程中激光朝360°全方向發(fā)散，結(jié)合激光發(fā)射情況，構(gòu)建當(dāng)前位置信息，將之傳遞至STM32 之后，進(jìn)行地圖構(gòu)建。Kinect 相機(jī)則通過(guò)發(fā)射紅外光進(jìn)行光譜分析，將探查畫面數(shù)字化傳遞回控制界面，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的圖像處理系統(tǒng)后得到的畫面清晰度高，結(jié)合激光雷達(dá)的測(cè)定距離，即可標(biāo)記出地圖中一些重要地形的位置，和一些障礙物的具體分布情況。地圖構(gòu)建則依靠ORB-SLAM2 系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)完整的SLAM系統(tǒng)，包括視覺(jué)里程計(jì)、跟蹤、回環(huán)檢測(cè)、路線規(guī)劃，被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域。激光雷達(dá)、Kinect 相機(jī)和ORB-SLAM2 相互配合，能得到一份清晰的探索地圖，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

ORB-SLAM2 系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)場(chǎng)景的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要在ROS 系統(tǒng)中瀏覽相機(jī)發(fā)布的彩色圖像和深度圖像，結(jié)合激光反射情況確定距離，進(jìn)行關(guān)鍵幀和地圖點(diǎn)的提取，生成局部點(diǎn)云地圖，最終經(jīng)過(guò)閉環(huán)檢測(cè)和全局優(yōu)化生成全局點(diǎn)云地圖，并生成優(yōu)化路徑，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使機(jī)器人進(jìn)行避障或直行運(yùn)動(dòng)。

圖2 ORB-SLAM2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 機(jī)器人路徑規(guī)劃

通過(guò)ORB-SLAM2 算法得到地圖關(guān)鍵幀之后，為方便路徑規(guī)劃，采取柵格解耦法，將機(jī)器人工作空間劃分為若干點(diǎn)塊，標(biāo)記存在障礙物的域塊，在行進(jìn)方向上將這些域塊篩選出來(lái)，在地圖中以目標(biāo)方向最遠(yuǎn)的域塊作為目標(biāo)域塊，在這個(gè)過(guò)程中即可標(biāo)記出當(dāng)前地圖重要域塊位置。確定障礙物所在域格后，可將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)建模中的圖論優(yōu)化問(wèn)題，找到機(jī)器人避開(kāi)這些點(diǎn)位抵達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑，也就是最短路問(wèn)題。在這個(gè)過(guò)程中，因?yàn)闄C(jī)器人本身具有一定大小，所以在通過(guò)障礙物區(qū)域時(shí)要適當(dāng)增大轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)彎距離，確保機(jī)器人不會(huì)與障礙物發(fā)生碰撞。Dijkstra 算法常被用來(lái)解決最短路問(wèn)題對(duì)每個(gè)障礙點(diǎn)做上標(biāo)記，計(jì)算相鄰兩點(diǎn)之間最短距離，生成帶權(quán)鄰接矩陣，再?gòu)木仃囍泻Y選兩點(diǎn)之間的最短路徑，即可找到從起點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。因該算法的到的是通過(guò)各點(diǎn)抵達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的路線，所以需要在路線上做些改動(dòng)，在抵達(dá)各障礙點(diǎn)時(shí)進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)向，避開(kāi)該障礙物。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)一種基于ORB-SLAM2 系統(tǒng)結(jié)合激光雷達(dá)與相機(jī)實(shí)現(xiàn)智能避障的探索機(jī)器人。依靠SLAM系統(tǒng)構(gòu)建地圖篩選地圖關(guān)鍵幀，通過(guò)柵格解法定位處在目標(biāo)路線上的障礙點(diǎn)，再利用Dijkstra 算法找到最優(yōu)路線，周期化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，完成探索工作。整個(gè)過(guò)程具有自主能力，基本不需要人工操控，方便進(jìn)行未知環(huán)境探索，且具有體積小，重量輕，易于攜帶特點(diǎn)，在接收相關(guān)指令后還可以抓取小物體進(jìn)行攜帶，缺點(diǎn)是算法復(fù)雜性較高，對(duì)處理器有較高要求。此外機(jī)器人可以針對(duì)具體使用環(huán)境可以進(jìn)行部分硬件結(jié)構(gòu)的調(diào)整和材料的更換，也可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)智能機(jī)器人共同工作，相互配合，高效的探索未知區(qū)域的，具有較強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值。