行業(yè)干貨|機(jī)器人如何實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)與路徑規(guī)劃？

SLAMTEC思嵐科技 · 發(fā)表于 2017-6-30 16:03:54

智能服務(wù)機(jī)器人正成為行業(yè)的風(fēng)口浪尖，從清掃機(jī)器人開(kāi)始，家庭陪伴機(jī)器人、送餐機(jī)器人等陸續(xù)進(jìn)入公眾視線。

在討論這類機(jī)器人是否能解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，自主定位導(dǎo)航技術(shù)作為機(jī)器人智能化的第一步正不斷引起行業(yè)內(nèi)的重視。同時(shí)，作為自主定位導(dǎo)航技術(shù)的重要突破口，SLAM 技術(shù)也成為關(guān)注焦點(diǎn)。

正如圖中所示，機(jī)器人自主定位導(dǎo)航技術(shù)中包括定位、地圖創(chuàng)建與路徑規(guī)劃（運(yùn)動(dòng)控制），而 SLAM 本身只是完成機(jī)器人的定位和地圖創(chuàng)建，二者有所區(qū)別。

那么，SLAM 技術(shù)究竟是如何實(shí)現(xiàn)的？它有哪些難點(diǎn)？機(jī)器人如何實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)和路徑規(guī)劃？到底什么樣的掃地機(jī)器人才算智能？

這些問(wèn)題，小編將為你一一解答，帶領(lǐng)大家了解機(jī)器人自主移動(dòng)的秘密。

今天，我們先從 SLAM 說(shuō)起。

什么是SLAM技術(shù)?

SLAM 是同步定位與地圖構(gòu)建 (Simultaneous Localization And Mapping) 的縮寫(xiě)，最早由 Hugh Durrant-Whyte 和 John J.Leonard 提出。

其實(shí)，SLAM 更像是一個(gè)概念而不是一個(gè)算法，它本身包含許多步驟，其中的每一個(gè)步驟均可以使用不同的算法實(shí)現(xiàn)。主要用于解決移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境中運(yùn)行時(shí)即時(shí)定位與地圖構(gòu)建的問(wèn)題。

當(dāng)你身處異地，怎么準(zhǔn)確找到想去的地方？在戶外迷路時(shí)，怎么找到回家的路？沒(méi)錯(cuò)，我們有導(dǎo)航軟件和戶外地圖。

和人類繪制地圖一樣，機(jī)器人描述環(huán)境、認(rèn)識(shí)環(huán)境的過(guò)程主要就是依靠地圖。它利用環(huán)境地圖來(lái)描述其當(dāng)前環(huán)境信息，并隨著使用的算法與傳感器差異采用不同的地圖描述形式。

四種常見(jiàn)的地圖表示方法是什么？

機(jī)器人學(xué)中地圖的表示方法有四種：柵格地圖、特征地圖、直接表征法以及拓?fù)涞貓D。

柵格地圖

機(jī)器人對(duì)環(huán)境地圖的描述的方式最常見(jiàn)的為柵格地圖 (Grid map) 或者稱為 Occupancy Map。柵格地圖就是把環(huán)境劃分成一系列柵格，其中每一柵格給定一個(gè)可能值，表示該柵格被占據(jù)的概率。

這種地圖看起來(lái)和人們所認(rèn)知的地圖沒(méi)什么區(qū)別，它最早由 NASA 的 Alberto Elfes 在 1989 年提出，在火星探測(cè)車(chē)上就用到過(guò)，其本質(zhì)是一張位圖圖片，但其中每個(gè)「像素」則表示了實(shí)際環(huán)境中存在障礙物的概率分布。

一般來(lái)說(shuō)，采用激光雷達(dá)、深度攝像頭、超聲波傳感器等可以直接測(cè)量距離數(shù)據(jù)的傳感器進(jìn)行 SLAM 時(shí)，可以使用該地圖。這種地圖也可以通過(guò)距離測(cè)量傳感器、超聲波（早期）、激光雷達(dá)（現(xiàn)在）繪制出來(lái)。

特征點(diǎn)地圖

特征點(diǎn)地圖，是用有關(guān)的幾何特征（如點(diǎn)、直線、面）表示環(huán)境，常見(jiàn)于 vSLAM（視覺(jué) SLAM）技術(shù)中。

相比柵格地圖，這種地圖看起來(lái)就不那么直觀了。它一般通過(guò)如 GPS、UWB 以及攝像頭配合稀疏方式的 vSLAM 算法產(chǎn)生，優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量和運(yùn)算量比較小，多見(jiàn)于最早的 SLAM 算法中。

直接表征法

直接表征法中，省去了特征或柵格表示這一中間環(huán)節(jié)，直接用傳感器讀取的數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)造機(jī)器人的位姿空間。

上圖就是直接記錄了屋子內(nèi)天花板畫(huà)面的圖像地圖。這種方法就像衛(wèi)星地圖一樣，直接將傳感器原始數(shù)據(jù)通過(guò)簡(jiǎn)單處理拼接形成地圖，相對(duì)來(lái)說(shuō)更加直觀。

拓?fù)涞貓D

拓?fù)涞貓D，是一種相對(duì)更加抽象的地圖形式，它把室內(nèi)環(huán)境表示為帶結(jié)點(diǎn)和相關(guān)連接線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中結(jié)點(diǎn)表示環(huán)境中的重要位置點(diǎn)（拐角、門(mén)、電梯、樓梯等），邊表示結(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系，如走廊等。這種方法只記錄所在環(huán)境拓?fù)滏溄雨P(guān)系，這類地圖一般是由前幾類地圖通過(guò)相關(guān)算法提取得到。

比如掃地機(jī)器人要進(jìn)行房間清掃的時(shí)候，就會(huì)建立這樣的拓?fù)涞貓D：

小結(jié)

在機(jī)器人技術(shù)中，SLAM 的地圖構(gòu)建通常指的是建立與環(huán)境幾何一致的地圖。

一般算法中建立的拓?fù)涞貓D只反映了環(huán)境中的各點(diǎn)連接關(guān)系，并不能構(gòu)建幾何一致的地圖，因此，這些拓?fù)渌惴ú荒鼙挥糜?SLAM。

直接表征法類似衛(wèi)星地圖，它是直接使用傳感器（一般是圖像傳感器）構(gòu)建得到。這種方法的信息冗余度最大，對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是很大的挑戰(zhàn)，同時(shí)，機(jī)器人要從中提取出有用的數(shù)據(jù)也要耗費(fèi)一番周折，因此在實(shí)際應(yīng)用中很少使用。

特征點(diǎn)地圖又是另一個(gè)極端，雖然數(shù)據(jù)量少，但是它往往不能反應(yīng)所在環(huán)境的一些必須的信息，比如環(huán)境中障礙物的位置。vSLAM 技術(shù)中，多采用這種地圖來(lái)解決機(jī)器人定位問(wèn)題。想讓機(jī)器人進(jìn)行自主避障和路徑規(guī)劃，還需要額外配置距離傳感器，如激光雷達(dá)、超聲波來(lái)完成。

柵格地圖，或者 Occupancy Map（占據(jù)地圖）恰好介于其中，一方面它能表示空間環(huán)境中的很多特征，機(jī)器人可以用它來(lái)進(jìn)行路徑規(guī)劃，另一方面，它又不直接記錄傳感器的原始數(shù)據(jù)，相對(duì)實(shí)現(xiàn)了空間和時(shí)間消耗的最優(yōu)。因此，柵格地圖是目前機(jī)器人所廣泛應(yīng)用的地圖存儲(chǔ)方式。

思嵐科技的 SLAMWARE 系統(tǒng)內(nèi)部也采用這種地圖方式。

當(dāng)你打開(kāi)手機(jī)中的導(dǎo)航軟件，在選擇前往目的地的最佳路線之前，首先要做的動(dòng)作是什么呢？沒(méi)錯(cuò)，就是定位。我們要先知道自己在地圖中的位置，才可以進(jìn)行后續(xù)的路徑規(guī)劃。

在機(jī)器人實(shí)時(shí)定位問(wèn)題中，由于通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)估計(jì)得到的機(jī)器人位置信息通常具有較大的誤差，我們還需要使用測(cè)距單元得到的周?chē)h(huán)境信息更正機(jī)器人的位置。

目前，常見(jiàn)的測(cè)距單元包括激光測(cè)距、超聲波測(cè)距以及圖像測(cè)距三種。其中，憑借激光良好的指向性和高度聚焦性，激光雷達(dá)已經(jīng)成為移動(dòng)機(jī)器人的核心傳感器，同時(shí)它也是目前最可靠、最穩(wěn)定的定位技術(shù)。

自 1988 年被提出以來(lái)，SLAM 的理論研究發(fā)展十分迅速。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，除配備激光雷達(dá)外，還需要機(jī)器人具有 IMU（慣性測(cè)量單元）、里程計(jì)來(lái)為激光雷達(dá)提供輔助數(shù)據(jù)，這一過(guò)程的運(yùn)算消耗是巨大的，傳統(tǒng)上需要 PC 級(jí)別的處理器，這也成為限制 SLAM 廣泛應(yīng)用的瓶頸之一。

那么，實(shí)現(xiàn) SLAM 的過(guò)程中，都會(huì)遇到哪些坑呢？

SLAM 實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的難點(diǎn)有哪些？

SLAM 主要解決機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位與自動(dòng)建圖問(wèn)題，那么，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，SLAM 究竟是如何實(shí)現(xiàn)的呢？在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中有哪些難點(diǎn)？

這是一個(gè)完整的 SLAM 和導(dǎo)航系統(tǒng)的主要架構(gòu)圖：

其中，SLAM 核心過(guò)程包括 3 個(gè)步驟，第一步稱為預(yù)處理。我們知道，激光雷達(dá)和其他雷達(dá)設(shè)備一樣，某一個(gè)時(shí)刻只能獲取它所在位置的環(huán)境信息。

這就是我們所說(shuō)的點(diǎn)云，它只能反映機(jī)器人所在環(huán)境中的一個(gè)部分。第一步預(yù)處理就是對(duì)激光雷達(dá)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，剔除一些有問(wèn)題的數(shù)據(jù)，或者進(jìn)行濾波。

第二步是匹配，也就是說(shuō)把當(dāng)前這一個(gè)局部環(huán)境的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在已經(jīng)建立地圖上尋找到對(duì)應(yīng)的位置，這個(gè)步驟非常關(guān)鍵。

這個(gè)是 ICP 的點(diǎn)云匹配算法，用于實(shí)現(xiàn)匹配。說(shuō)這個(gè)過(guò)程關(guān)鍵，就是因?yàn)樗暮脡�，直接影響�?SLAM 構(gòu)建地圖的精度。這個(gè)過(guò)程和我們玩拼圖游戲有點(diǎn)類似，就是在已經(jīng)拼好的畫(huà)面中找到相似之處，確定新的一個(gè)拼圖該放在哪里。

在 SLAM 過(guò)程中，需要將激光雷達(dá)當(dāng)前采集的點(diǎn)云（紅色部分）匹配拼接到原有地圖中。

如果不進(jìn)行匹配過(guò)程，所構(gòu)建的地圖可能就亂成一團(tuán)，變成這樣。

在這個(gè)部分完畢以后，就進(jìn)行第三步，地圖融合，也就是將這一輪來(lái)自激光雷達(dá)的新數(shù)據(jù)拼接到原始地圖當(dāng)中，最終完成地圖的更新。

就像這個(gè)圖一樣，這個(gè)過(guò)程是永遠(yuǎn)伴隨 SLAM 過(guò)程的。

數(shù)據(jù)融合和簡(jiǎn)單的貼圖是有很大的差異的。因?yàn)閷?shí)際上傳感器描繪的世界存在一定的誤差，或者正巧在這個(gè)時(shí)間環(huán)境有了變化，例如機(jī)器人旁邊闖入了一只小貓。

因此，實(shí)際要進(jìn)行的過(guò)程會(huì)更加復(fù)雜，需要用很多概率算法，并采用濾波的方式進(jìn)行融合。將上述這個(gè)過(guò)程逐次執(zhí)行，就最終產(chǎn)生了我們看到的柵格地圖。

這個(gè)過(guò)程聽(tīng)起來(lái)其實(shí)并不復(fù)雜，但是要處理好有很大難度。這里舉幾個(gè)例子，比如叫做 Loop Closure（回環(huán)）問(wèn)題。如果匹配算法不足夠優(yōu)秀，或者環(huán)境中存在很不巧的干擾，當(dāng)機(jī)器人繞著環(huán)境一圈后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)原本是應(yīng)該閉合的一個(gè)環(huán)形走廊斷開(kāi)了。

比如正常地圖應(yīng)該這樣：

如果處理不好，實(shí)際地圖就成這樣：

對(duì)于環(huán)境比較大的場(chǎng)景，回環(huán)問(wèn)題是不得不面對(duì)的，但現(xiàn)實(shí)總是不完美的，即使是激光雷達(dá)這種高精度傳感器，也難免存在誤差。而回環(huán)問(wèn)題的難點(diǎn)恰恰在于在一開(kāi)始出現(xiàn)少許誤差的時(shí)候，并不會(huì)被發(fā)覺(jué)，直到機(jī)器人繞著環(huán)路一圈，隨著誤差的累加，發(fā)現(xiàn)環(huán)路已經(jīng)無(wú)法閉合時(shí)，此時(shí)已經(jīng)釀成大錯(cuò)，一般很難回天。

當(dāng)然這個(gè)問(wèn)題并不是無(wú)解，一個(gè)好的商用化 SLAM 系統(tǒng)，回環(huán)問(wèn)題是否能很好的解決，就成為評(píng)判這個(gè)系統(tǒng)實(shí)力的指標(biāo)了。

這是前兩天在我們辦公室進(jìn)行的測(cè)試，左邊的視頻是基于開(kāi)源的 ROS 機(jī)器人操作系統(tǒng)進(jìn)行的地圖構(gòu)建，右邊的是基于 SLAMWARE 構(gòu)建的地圖。

當(dāng)機(jī)器人已經(jīng)繞場(chǎng)一周后，ROS 構(gòu)建的地圖出現(xiàn)了中斷，而 SLAMWARE 構(gòu)建的地圖是一個(gè)完美的閉環(huán)，它與我們辦公室的設(shè)計(jì)圖完美重合。

除了算法層面的回環(huán)問(wèn)題，SLAM 實(shí)際應(yīng)用中還有很多這種坑，比如走廊問(wèn)題與外界干擾問(wèn)題。

以外界干擾問(wèn)題來(lái)說(shuō)，通常，激光雷達(dá)作為機(jī)器人的眼睛，一般是安裝在底盤(pán)上的，它能看到的視野很有限。當(dāng)受到外界干擾（人類或者寵物等等）后，機(jī)器人很容易丟失定位精度，無(wú)法正常完成后續(xù)的建圖工作。

目前，SLAM 的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)代表多為學(xué)術(shù)界，實(shí)際應(yīng)用有很多 Corner Case 要處理，需要傳感器、系統(tǒng)參數(shù)、其他輔助設(shè)備的聯(lián)合調(diào)優(yōu)。

一般來(lái)說(shuō)，上述的 SLAM 過(guò)程對(duì)于運(yùn)算消耗是巨大的，雖然并沒(méi)有達(dá)到像訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)用服務(wù)器集群那種地步，但傳統(tǒng)上需要 PC 級(jí)別的處理器。

除配備激光雷達(dá)外，還需要機(jī)器人具有 IMU（慣性測(cè)量單元）、里程計(jì)來(lái)為激光雷達(dá)提供輔助數(shù)據(jù)，否則 SLAM 系統(tǒng)也難以得到運(yùn)行�？偟膩�(lái)說(shuō)，SLAM 算法本身是一個(gè)對(duì)于外部系統(tǒng)有著多種依賴的算法，這是一個(gè)切實(shí)的工程問(wèn)題。

很多機(jī)器人，比如掃地機(jī)是不可能裝一個(gè) PC 進(jìn)去的，為了讓 SLAM 能在這類設(shè)備里運(yùn)行，除了解決激光雷達(dá)成本外，還要對(duì) SLAM 算法做出很好的優(yōu)化。

那么，機(jī)器人利用 SLAM 技術(shù)得到了有效的空間信息后，它是怎樣實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃的？SLAM 和路徑規(guī)劃之間關(guān)系是怎樣的？

機(jī)器人如何實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)和路徑規(guī)劃？

上面我們已經(jīng)知道了 SLAM 與路徑規(guī)劃的關(guān)系。

實(shí)際上，SLAM 算法本身只是完成了機(jī)器人的定位和地圖構(gòu)建兩件事情，與我們說(shuō)的導(dǎo)航定位并不是完全等價(jià)的。這里的導(dǎo)航，其實(shí)是 SLAM 算法做不了的。它在業(yè)內(nèi)叫做運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 (Motion Planning)。

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是一個(gè)很大的概念，從機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)、到飛行器的飛行，再到這里我們說(shuō)的掃地機(jī)的清掃路徑規(guī)劃，都是運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的范疇。

我們先談?wù)勧槍?duì)掃地機(jī)這類輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。這里所需的基礎(chǔ)能力就是路徑規(guī)劃，也就是一般在完成 SLAM 后，要進(jìn)行一個(gè)叫做目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航的能力。通俗的說(shuō)，就是規(guī)劃一條從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)的路徑出來(lái)，然后讓機(jī)器人移動(dòng)過(guò)去。

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃要實(shí)現(xiàn)至少兩個(gè)層次的模塊，一個(gè)叫做全局規(guī)劃，這個(gè)和我們車(chē)載導(dǎo)航儀有一點(diǎn)像，它需要在地圖上預(yù)先規(guī)劃一條線路，也要有當(dāng)前機(jī)器人的位置。這是由我們的 SLAM 系統(tǒng)提供出來(lái)的。行業(yè)內(nèi)一般會(huì)用叫做 A * 的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程，它是一種啟發(fā)式的搜索算法，非常優(yōu)秀。它最多的應(yīng)用，是在游戲中，比如像星際爭(zhēng)霸、魔獸爭(zhēng)霸之類的即時(shí)戰(zhàn)略游戲，都是使用這個(gè)算法來(lái)計(jì)算單位的運(yùn)動(dòng)軌跡的。

當(dāng)然，僅僅規(guī)劃了路徑還是不夠的，現(xiàn)實(shí)中會(huì)有很多突發(fā)情況，比如正巧有個(gè)小孩子擋道了，就需要調(diào)整原先的路徑。當(dāng)然，有時(shí)候這種調(diào)整并不需要重新計(jì)算一遍全局路徑，機(jī)器人可能稍微繞一個(gè)彎就可以。此時(shí)，我們就需要另一個(gè)層次的規(guī)劃模塊，叫做局部規(guī)劃。它可能并不知道機(jī)器人最終要去哪，但是對(duì)于機(jī)器人怎么繞開(kāi)眼前的障礙物特別在行。

這兩個(gè)層次的規(guī)劃模塊協(xié)同工作，機(jī)器人就可以很好的實(shí)現(xiàn)從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)的行動(dòng)了，不過(guò)實(shí)際工作環(huán)境下，上述配置還不夠。比如 A＊算法規(guī)劃的路徑是根據(jù)已知地圖，預(yù)先規(guī)劃好的，一旦機(jī)器人前往目的地的過(guò)程中遇到了新的障礙物，就只好完全停下來(lái)，等待障礙物離開(kāi)或者重新規(guī)劃路徑了。如果掃地機(jī)器人買(mǎi)回家，必須先把屋子都走一遍以后才肯掃地，那用戶體驗(yàn)就會(huì)很差。

為此，也會(huì)有針對(duì)這類算法的改進(jìn)，比如 SLAMWARE 內(nèi)我們采用改良的 D * 算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，這也是美國(guó)火星探測(cè)器采用的核心尋路算法。這是一種動(dòng)態(tài)啟發(fā)式路徑搜索算法，它讓機(jī)器人在陌生環(huán)境中行動(dòng)自如，在瞬息萬(wàn)變的環(huán)境中游刃有余。

D * 算法的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要預(yù)先探明地圖，機(jī)器人可以和人一樣，即使在未知環(huán)境中，也可以展開(kāi)行動(dòng)，隨著機(jī)器人不斷探索，路徑也會(huì)時(shí)刻調(diào)整。

以上是目前大部分移動(dòng)機(jī)器人都需要的路徑規(guī)劃算法，而掃地機(jī)器人作為最早出現(xiàn)在消費(fèi)市場(chǎng)的服務(wù)機(jī)器人之一，它需要的路徑規(guī)劃算法更為復(fù)雜。

一般來(lái)說(shuō)，掃地機(jī)需要這么幾個(gè)規(guī)劃能力：貼邊打掃、折返的工字形清掃以及沒(méi)電時(shí)候自主充電。單單依靠前面介紹的 D * 這類算法，無(wú)法滿足這些基礎(chǔ)需要。

掃地機(jī)器人還需要有額外的規(guī)劃算法，比如針對(duì)折返的工字形清掃，有很多問(wèn)題要處理。掃地機(jī)如何最有效進(jìn)行清掃而不重復(fù)清掃？如何讓掃地機(jī)和人一樣，理解房間、門(mén)、走廊這種概念？

針對(duì)這些問(wèn)題，學(xué)術(shù)界長(zhǎng)久以來(lái)有一個(gè)專門(mén)的研究課題，叫做空間覆蓋（space coverage），同時(shí)也提出了非常多的算法和理論。其中，比較有名的是 Morse Decompositions，掃地機(jī)通過(guò)它實(shí)現(xiàn)對(duì)空間進(jìn)行劃分，隨后進(jìn)行清掃。

20 世紀(jì) 70 年代，卡內(nèi)基梅隴大學(xué)（CMU）完全依靠超聲波做到了現(xiàn)在我們掃地機(jī)的行為，當(dāng)然造價(jià)也十分昂貴。

前面介紹的從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)移動(dòng)路徑規(guī)劃也是實(shí)現(xiàn)這類更高級(jí)路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)。實(shí)際上，要從 SLAM 實(shí)現(xiàn)到掃地機(jī)器人所需要的這些功能，還是有非常多的工作要做的。