移動機器人同步定位與地圖構建技術研究

俞兆鵬 劉力源 蔣婷 楊宇 路云

摘要：進入二十一世紀以來，隨著現代科技的高速發展，各類高科技產品已經廣泛的應用于人們的生活當中，使人們的日常生活更加高效便捷。近幾年來，無人機、智能無人駕駛汽車、掃地機器人等各種高科技產品相繼出現在人們的視野中。特別是各種智能機器人的出現，為人們的生活提供了極大的便利。越來越多的人開始研究機器人這一方向，各類機器人的自主導航問題成為了近幾年來各位專家學者研究的熱點問題。雖然我們的研究目前已經取得了很大的成果，但是在環境地圖未知的情況下機器人的定位和導航仍是當前主要研究和攻堅的方向。同時定位與地圖構建算法可以通過智能機器人自身攜帶的傳感器測量所處陌生環境信息和對自身位置的估計，能夠為陌生環境中智能機器人的定位與導航提供有效的解決方案，這種算法簡稱SLAM算法。

關鍵詞：智能機器人，自主導航，同時定位與地圖構建

1. 引言

近年來，隨著社會的不斷發展，越來越多的智能化的產品不斷出現并進入人們的生活。就目前來說，自動化、智能化就是未來社會發展的方向。數字革命是一場信息技術革命，它極大地提高了科學技術水平，為世界文化的發展提供了堅實的物質基礎，使全球文化交流日益密切，現代化呈現出多元化特征。智能機器人在全球范圍內發展迅速。人們嘗試把機器人應用在各種場景中，從家用掃地機器人，到自動駕駛汽車，再到無人機、水下探測機器人等，智能機器人的運用都得到了巨大突破，并取得了顯著的成果。

2. SLAM技術的發展背景

SLAM主要的作用就是讓機器人在一個完全未知的環境中完成定位、建立地圖和對路徑的規劃。SLAM問題起源于1986年在美國舊金山召開的一次有關機器人討論的會議上。大量的研究人員一直在研究如何將估計理論應應用在構圖與定位的問題上，在整個的會議過程中，許多桌子上充滿了關于建立地圖的長篇討論。在這一時期，許多國外學者也參與了關于測繪連續性的討論。SLAM最早由兩位國外的學者在1988年提出，到目前為止已經有30多年的發展歷史。

SLAM技術在機器人的行動能力和交互能力方面發揮了重要的作用，因為它代表了這種能力的基礎：知道自己在什么位置，知道自己處在一個什么樣的未知環境，進而知道下一步該如何自主行動。SLAM技術在無人駕駛、家用掃地機器人、無人機等領域應用非常廣泛，可以說凡是擁有一定行動能力的機器人都擁有某種形式的SLAM系統。

在機器人的研究中最為核心的技術就是定位和建立地圖，也就是我們所說的SLAM技術。一個人是怎么判斷自己所在的位置呢？沒錯，就是眼睛！人的大腦就是通過綜合這些感官信息來判斷位置和移動的，SLAM技術的靈感來源就來源于此。

近幾年來大數據、人工智能這些熱門詞匯成為了人們討論的熱點，SLAM這個詞幾乎沒有多少人聽過，這是是因為國內從事相關研究的機構更是屈指可數。到2015年年底，SLAM才慢慢的被人們知道，該題目也成為國內相關專家和學者的熱門研究方向，在當前較為熱門的領域顯露頭角。

通常來說，SLAM有許多模塊組成，它包含著各種傳感器和各個功能模塊。按照傳感器模塊來區分，SLAM系統主要分為兩種形式。一種是激光SLAM，另一種就是視覺SLAM。

激光SLAM采用單線或多線激光雷達，單線激光雷達一般用于室內機器人上，如掃地機器人。而多線激光雷達一般用在無人駕駛領域，一些大城市的駕駛汽車就用的比較多。激光雷達的出現和普及可以讓測量更加快速，更加精準，避免了很大的誤差，信息量更豐富。

視覺SLAM又稱為V-SLAM，主要通過攝像頭來實現。視覺SLAM以信息量大，應用范圍廣等優點受到廣泛關注。在此，主要介紹激光SLAM。

3. 激光SLAM技術的原理分析

在機器人運動控制系統結構中，可把分為底層、中間通信部分和決策部分三部分，中間通信部分是底層部分和決策部分的通信通道，決策部分則是實現機器人的定位建圖及導航，相當于人腦。

在機器人定位導航中，目前主要有激光SLAM與視覺SLAM，激光SLAM相比較視覺SLAM技術比較成熟，變為當下最主流的定位導航方式，我們家庭中用的掃地機器人以及餐飲行業的送餐機器人等服務機器人中都采用了當下最流行的激光SLAM技術。

當機器人想要準確的去一個地方時，需要依靠一張地圖，就像人類一樣，你需要知道如何去這個地方，描述環境、認識環境的過程主要就是依靠地圖。它利用環境地圖來獲取當前環境信息，使用的算法與傳感器差異的不同，采用的地圖描述形式也會有不同的結果，在機器人學中，地圖的表示方法主要有四種，其中，柵格地圖應用最為廣泛。我們可以把一幅柵格圖像看作是數學中一個矩陣，矩陣中的某一個元素對應于圖像中的一個點，呈現一一對應的關系，而相應的值對應于該點的灰度級，我們把數字矩陣中的元素叫做像素。柵格地圖是目前機器人應用最為廣泛的地圖儲存方式，它看起來和人們所理解的地圖本質上區別不大，說白了就是一張位圖圖片，其中每個“像素”則表示了實際環境中存在障礙物的概率分布。

柵格地圖具有容易構建、位置具有唯一性的優點，它可以表示在空間環境中的眾多特征，機器人用它來進行路徑規劃很方便，同時它不記錄傳感器的最原始數據，可以節約很多的時間和空間，為我們提供了很大的便利。

國內一家公司的SLAMWARE定位導航方案就采用了柵格地圖，該公司的的定位方案主要是由自主定位導航系統SLAMWARECore及激光雷達組合構成。激光雷達最具代表性的產品就是SLAMWARE，SLAMWARE可以直接完成地圖的構建、自主路徑規劃及運動行走控制，中間不需要復雜的過程，不需要大量的計算，節省了許多時間，很方便集成。

4.激光SLAM建立地圖

在地圖的構建中，激光雷達是建立地圖的一個最重要的工具，它在建立地圖的過程中發揮了非常大的作用，在這一過程中，激光雷達相當于人眼，可幫助機器人感知周圍環境。在進行地圖的構建之前，準確的安裝激光雷達是必不可少的一步，激光雷達是否正確安裝會直接影響后面的定位與構建地圖的過程。進行激光雷達的安裝主要有以下幾個重要的步驟：

（1）需要水平安裝，角度偏差在5度以內;

（2）找到合適的開口角度，一般在270-360度之間最為合適;

（3）安裝激光雷達時，盡可能的靠近機器人的中心，避免盲區;

激光雷達安裝好之后，就是進行建立地圖的前期準備，注意事項如下：

（1）盡可能的找一個空曠地帶;

（2）清除該區域內的一些顯眼的障礙物，如桌子、椅子等;

（3）對于場景中的影響激光雷達掃描的物體，在條件允許的情況下，盡量在機器人的雷達掃描平面處貼上其他不影響雷達正常掃描的材料;

地圖的構建技巧：

（2）在一些大環境中建立地圖時，可以先讓機器人先去完成建圖閉環，之后再對一些細小的點進行精確的掃描;

（3）建立地圖時，采用rviz軟件進行構建，在該軟件上可以實時的查看機器人所在的位置;當使用鍵盤控制機器人的移動時，rviz界面會顯示機器人的動態;

圖2 rviz界面

在地圖建立完成之后，可以通過一下幾點來判斷建立的地圖是否符合定位導航的要求：

（1）構建的地圖障礙物邊緣是否清晰，障礙物邊緣是一條黑色的線則構建的地圖符合要求;

（2）地圖中是否存在沒有掃描到的區域;

（3）地圖中是否存在一些移動的障礙物;

若達到以上要求，證明地圖的構建非常成功。

5.總結

SLAM技術不僅僅可以用在機器人領域，在未來，移動廣告、送餐、智能倉儲這些領域都可以應用到，市場前景非常廣泛。SLAM技術將會為我們帶來帶來機器人技術和人工智能技術的真正科技革命，也將使得機器人從實驗室和展示廳中走出來，走向全世界，給人們帶來真正的便利。

北京科技大學天津學院大學生創新創業訓練計劃項目，《無人農業—智能農機裝備設計與實現》，項目編號：202113898046。

參考文獻

[1]游通飛，孔令華，劉文玉，易定容，殷江.視覺SLAM在動態場景下的圖像處理方法[J].紅外技術，2021，43（10）：960-967.

[2]鮑錫桉，孫巧妍，張德軍，姜文君.基于ROS和SLAM的全向移動語音機器人設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2021，21（10）：59-62+67.

[3]郝東晨.基于視覺SLAM的無人機路徑規劃技術研究[D].電子科技大學，2021.

[4]張春蓉.激光雷達在自動駕駛中的技術應用[J].產業與科技論壇，2021， 20（21）：35-36.

[5]聶文康，蔣林，雷斌，湯勃.基于深度學習的語義柵格地圖構建方法[J].武漢科技大學學報，2021，44（06）：468-477.