基于ROS的移動機(jī)器人激光SLAM算法研究

摘要：在我國科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，移動機(jī)器人的智能程度在不斷提升。同步定位與建圖（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）算法是移動機(jī)器人自主導(dǎo)航實現(xiàn)的前提與關(guān)鍵。文章在ROS系統(tǒng)基礎(chǔ)上分析了基于濾波器與基于圖優(yōu)化方法的SLAM算法原理，利用基于Jetson Nano硬件平臺的移動機(jī)器人進(jìn)行SLAM算法建圖。文章針對建圖中產(chǎn)生的地圖錯位漂移等問題進(jìn)行研究討論，分析得出Cartographer算法可在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下構(gòu)建出誤差低、精度高的2D柵格地圖，驗證了該算法在室內(nèi)環(huán)境較其他算法的優(yōu)異性，為移動機(jī)器人在室內(nèi)SLAM建圖提供更可靠的解決方案。

關(guān)鍵詞：ROS；SLAM；移動機(jī)器人；Cartographer算法

中圖分類號：TP242.6" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

移動機(jī)器人在環(huán)境感知和導(dǎo)航中扮演著重要角色，而SLAM技術(shù)則是實現(xiàn)機(jī)器人自主導(dǎo)航的關(guān)鍵。SLAM通過激光雷達(dá)獲取環(huán)境信息并實時構(gòu)建地圖與定位，為機(jī)器人提供了高效的導(dǎo)航解決方案。

由于部分SLAM算法建圖精度不高且魯棒性較差，導(dǎo)致后續(xù)導(dǎo)航工作難以進(jìn)行，所以本文將研究集中于算法原理與實驗驗證兩方面。文章分析基于濾波器方法與基于圖優(yōu)化方法的算法原理，包括Gmapping和Cartographer算法；利用搭載ROS系統(tǒng)的移動機(jī)器人進(jìn)行SLAM建圖；針對激光SLAM算法在建圖時產(chǎn)生的地圖錯位漂移等問題進(jìn)行研究；探討兩種算法的魯棒性與建圖精度并選擇適合室內(nèi)環(huán)境的激光SLAM算法，為移動機(jī)器人的實時建圖提供更可靠的解決方案。

1 激光SLAM算法

根據(jù)使用的傳感器不同，分為激光SLAM與視覺SLAM［1］。視覺傳感器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但嚴(yán)重依賴環(huán)境結(jié)構(gòu)信息。而激光雷達(dá)的測距精度不會因光照變化而改變，它的測距精度高可直接用于路徑規(guī)劃與導(dǎo)航，因此本文選用激光 SLAM 建圖［2］。激光SLAM 建圖算法分為兩大類：基于濾波器方法和基于圖優(yōu)化方法。

1.1 基于濾波器方法

Fast-SLAM是一種基于粒子濾波器的 SLAM 算法。但該算法在大場景下建圖需要大量粒子從而會產(chǎn)生內(nèi)存爆炸問題。

GMapping算法則在 Fast-SLAM 的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，它通過降低粒子數(shù)量的方法大幅度緩解內(nèi)存爆炸。GMapping提出了一種選擇再抽樣方法，該方法為了解決粒子耗散問題，將微粒按重要性加權(quán)進(jìn)行分類并對權(quán)重較小的微粒重新抽樣。Gmapping 算法原理是利用粒子濾波器方法進(jìn)行位姿估計與地圖構(gòu)建，同時算法根據(jù)估計位姿來更新柵格地圖。通過多次迭代，Gmapping 可以得到高精度2D占據(jù)柵格地圖［3］。

1.2 基于圖優(yōu)化方法

Karto是第一個基于圖優(yōu)化的開源 SLAM 算法。但Karto構(gòu)建子圖的實時性較差，在建圖模塊會耗費大量時間。

Google于2016年在Karto算法上提出改進(jìn)并開源 Cartographer算法。Cartographer加入了數(shù)據(jù)預(yù)處理、傳感器同步等多項功能，子圖概念也被引入。為了使幀與子圖匹配，Cartographer采用梯度優(yōu)化與相關(guān)性掃描匹配融合方法提升匹配精度效率；后端則基于圖優(yōu)化方法在閉環(huán)測模塊加入當(dāng)前激光幀和所有子圖。Cartographer 算法是目前精度最高、實時性和魯棒性最好的開源 SLAM 算法之一［4］。

2 機(jī)器人硬件平臺

2.1 機(jī)器人介紹

本文選用的是麥輪模型機(jī)器人，該機(jī)器人操作系統(tǒng)為Ubuntu 20.04 版本并搭載基于 ROS noetic 的基礎(chǔ)包框架。主控制器選用Jetson Nano通過USB連接外設(shè)傳感器。主控同時通過串口與STM32通信，它將IMU、電池狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳輸?shù)絉OS系統(tǒng)。底層控制器選用OpenCTR控制器連接編碼器減速電機(jī)和 IMU 加速度陀螺儀，從而在底層實現(xiàn)機(jī)器人運動控制和數(shù)據(jù)采集。

2.2 ROS系統(tǒng)

ROS的全稱是機(jī)器人操作系統(tǒng)，是一種用來編寫機(jī)器人程序的柔性框架。ROS通過對各種工具庫、協(xié)議的整合，實現(xiàn)了與操作系統(tǒng)相似的功能。本文以四輪移動式機(jī)器人為研究對象，以 ROS系統(tǒng)為基礎(chǔ)實現(xiàn)對環(huán)境感知與運動控制等方面的整合工作。

3 激光SLAM算法研究

利用本文機(jī)器人，分別采用Gmapping算法與Cartographer算法對西京學(xué)院工程坊研究生實驗室建立二維柵格地圖。通過實驗比較，針對建圖出現(xiàn)的地圖誤差等問題，探討兩種算法在室內(nèi)環(huán)境下建圖魯棒性與精確性。

操作端選用搭載Ubuntu 20.04的 PC端，通過Wi-Fi建立 PC端與Jetson Nano的網(wǎng)絡(luò)連接。設(shè)置機(jī)器人運動線速度為0.6 m/s，角速度為1.0 rad/s。雷達(dá)射線頻率設(shè)置為4s /次，掃描半徑為20 m，精度為0.01 m。

3.1 Gmapping算法

首先啟動機(jī)器人運行管理節(jié)點roscore，在新的終端中輸入$ roslaunch xtark_slam map.launch slam_methods：=gmapping運行slam功能包中map. launch啟動文件，啟動Gmapping 建圖節(jié)點。運行rviz并使用map話題發(fā)布柵格地圖話題以及使用scan話題發(fā)布激光信息。在 rviz可視化程序中查看建立地圖。Gmapping算法建圖如圖1所示。

可以從生成地圖分析得出GMapping算法在較小室內(nèi)環(huán)境下建圖精度較高但仍具有一定程度的地圖漂移。GMapping的優(yōu)勢就是能夠?qū)崟r生成室內(nèi)地圖并且對小型場景進(jìn)行較高精度建模，而缺點在于GMapping構(gòu)建室內(nèi)大型復(fù)雜環(huán)境地圖時所需粒子數(shù)量隨地圖信息增大而增多且依賴?yán)锍逃嫛Ｃ總€粒子都帶有一張本地地圖，所以需要更多計算與存儲空間。GMapping 算法沒有回環(huán)檢測模塊，在室內(nèi)遇到長廊等狹長環(huán)境可能會導(dǎo)致地圖錯位漂移等錯誤，使后期機(jī)器人無法避障或精準(zhǔn)導(dǎo)航到目標(biāo)點。總而言之，GMapping算法在室內(nèi)較大環(huán)境或狹長走廊環(huán)境下建圖魯棒性低且精度不高。

3.2 Cartographer算法

Cartographer算法建圖操作方法同樣與 GMapping 類似，首先在機(jī)器人端運行$ roslaunch xtark slam map.launch slam methods：=cartographer命令，啟動Cartographer建圖節(jié)點并監(jiān)聽scan_base topic發(fā)來的消息，后在rviz中查看生成地圖。Cartographer算法建圖如圖2所示。

在建圖過程中，由于Cartographer算法回環(huán)檢測及后端優(yōu)化較為完善，并且Cartographer采用先進(jìn)行小回環(huán)后進(jìn)行大范圍回環(huán)檢測的方式，所以可以隨意移動機(jī)器人的位置而不會使地圖大范圍漂移旋轉(zhuǎn)。

由于Cartographer和GMapping算法框架不同，Gmapping建圖時需要較大粒子數(shù)量導(dǎo)致算法實時性下降。而Cartographer構(gòu)建室內(nèi)較大地圖時采用圖優(yōu)化方法且在后端采取多線程優(yōu)化，使得此算法具有更強(qiáng)的魯棒性與實時性。Gmapping無回環(huán)檢測模塊會導(dǎo)致地圖漂移等現(xiàn)象。總而言之，Cartographer算法的閉環(huán)檢測消除了建圖過程中產(chǎn)生的累積誤差。較Gmapping算法而言，地圖邊緣輪廓更加筆直明顯，建圖精度更高且魯棒性強(qiáng)。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了基于濾波器方法與基于圖優(yōu)化方法的SLAM算法原理，包括Gmapping和Cartographer算法；利用搭載ROS系統(tǒng)的移動機(jī)器人進(jìn)行激光SLAM建圖，實現(xiàn)了在室內(nèi)區(qū)域構(gòu)建精度較高的二維柵格地圖；通過 Cartographer 算法與Gmapping算法構(gòu)建地圖的實驗對比，分析得出Gmapping 建圖嚴(yán)重依賴?yán)锍逃嬓畔⑶覠o回環(huán)檢測模塊，實時性較差。Cartographer 建圖由于回環(huán)檢測突出可搬放機(jī)器人至任意位置，從而不會使地圖大范圍漂移旋轉(zhuǎn)，建圖效果較好。

Cartographer同樣支持多模態(tài)傳感器融合建圖，并具有重定位功能，同一時間建圖效率和精度更高。該算法可應(yīng)用于室內(nèi)較大復(fù)雜環(huán)境建圖。在此基礎(chǔ)上，室內(nèi)機(jī)器人如掃地機(jī)器人等可以實現(xiàn)精確導(dǎo)航和避障的功能。Cartographer算法為移動機(jī)器人的即時定位與建圖提供更可靠的解決方案。

參考文獻(xiàn)

［1］陽月.基于多線激光雷達(dá)的無人車SLAM與重定位技術(shù)研究與實現(xiàn)［D］.成都：西南交通大學(xué)，2020.

［2］王晉.基于ROS的低速無人車2D激光SLAM建圖方法研究［J］.山西電子技術(shù)，2023（1）：95-98.

［3］劉志成，王華龍，馬興錄.激光即時定位與建圖算法綜述［EB/OL］．（2023-08-21）［2024-01-21］.https：//link.cnki.net/urlid/11.4762.TP.20230821.0915.014.

［4］劉銘哲，徐光輝，唐堂，等.激光雷達(dá)SLAM算法綜述［J］.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2024（1）：1-14.

Research on laser SLAM algorithm for mobile robot based on ROS

Abstract： "With the rapid development of science and technology in our country today， the intelligence level of mobile robots is also constantly improving. Simultaneous Localization and Mapping （SLAM） algorithm is the premise and key of autonomous navigation for mobile robots. In this paper， the principle of SLAM algorithm based on filter and graph optimization method is analyzed on the basis of ROS system， and the mobile robot based on Jetson Nano hardware platform is used to construct the SLAM algorithm. The problems of map dislocation and drift during map construction are studied and discussed， and the Cartographer algorithm can be used to construct 2D grid maps with low error and high accuracy in complex indoor environments， which verifies the superiority of this algorithm compared with other algorithms in the indoor environment， and provides a more reliable solution for SLAM mapping of mobile robots in the indoor environment.

Key words： ROS; SLAM; mobile robots; Cartographer algorithm