劉力瑋 馬振興 張志輝 謝淋東 張國續(xù)

（河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，河南 洛陽471003）

1 概述

SLAM (simultaneous localization and mapping) 算法是一種實現(xiàn)定位并進(jìn)行地圖構(gòu)建的系統(tǒng)，ORB-SLAM2 算法是SLAM 發(fā)展過程中較為完善的一種算法，它囊括了機器人ORB 特征、多線程共同實現(xiàn)追蹤Tracking、地圖構(gòu)建LocalMapping 和關(guān)鍵幀KeyFrameshe 的提取?；诖耍O(shè)計一種以SLAM算法為核心的移動機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)實時構(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)行移動工作，及時反饋收集信息的功能。

該移動機器人通過激光雷達(dá)與Kinect相機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，結(jié)合Dijkstra算法進(jìn)行最優(yōu)路徑規(guī)劃。機器人在移動過程中，激光雷達(dá)時刻發(fā)出360°全覆蓋激光對地圖進(jìn)行實時分析，配合Kinect 相機將探索畫面展現(xiàn)至操作終端顯示屏中，實時反饋信息。該移動機器人結(jié)合機械、電控、傳感器于一體，是操作簡單，實用性高的機電一體化產(chǎn)物。

2 機器人控制結(jié)構(gòu)分析

移動機器人是機器視覺和機器人控制的有機結(jié)合，是一個非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，利用視覺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 機器人系統(tǒng)(Robot Operating System)可以提供環(huán)境感知、運動控制、路徑規(guī)劃等研究領(lǐng)域經(jīng)典并且前沿的算法代碼庫，可以加強機器人代碼的復(fù)用率的模塊化。該移動機器人基于ROS 系統(tǒng)并通過激光雷達(dá)和Kinect 相機采集環(huán)境信息，在STM32 單片機中進(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，避開障礙物，驅(qū)動電機使機器人按規(guī)劃路徑移動。由于激光雷達(dá)360°時刻發(fā)射激光進(jìn)行環(huán)境采集，機器人在整個工作過程中，時刻將采集的地圖信息反饋至操作系統(tǒng)的顯示界面，操作人員可通過操作系統(tǒng)對機器人下達(dá)指令。機器人控制結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。

圖1 機器人系統(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 相機和ORB-SLAM2 系統(tǒng)共同完成。激光本身具有非常精確的測距能力，測距精度在厘米級別，探測精度高，在探測過程中激光朝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 相機則通過發(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)是一個完整的SLAM系統(tǒng)，包括視覺里程計、跟蹤、回環(huán)檢測、路線規(guī)劃，被廣泛應(yīng)用于移動機器人領(lǐng)域。激光雷達(dá)、Kinect 相機和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)行真實場景的實際應(yīng)用時，需要在ROS 系統(tǒng)中瀏覽相機發(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)鍵幀和地圖點的提取，生成局部點云地圖，最終經(jīng)過閉環(huán)檢測和全局優(yōu)化生成全局點云地圖，并生成優(yōu)化路徑，驅(qū)動電機，使機器人進(jìn)行避障或直行運動。

圖2 ORB-SLAM2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 機器人路徑規(guī)劃

通過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，將機器人工作空間劃分為若干點塊，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，在地圖中以目標(biāo)方向最遠(yuǎn)的域塊作為目標(biāo)域塊，在這個過程中即可標(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)化問題，找到機器人避開這些點位抵達(dá)目標(biāo)點的最優(yōu)路徑，也就是最短路問題。在這個過程中，因為機器人本身具有一定大小，所以在通過障礙物區(qū)域時要適當(dāng)增大轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)彎距離，確保機器人不會與障礙物發(fā)生碰撞。Dijkstra 算法常被用來解決最短路問題對每個障礙點做上標(biāo)記，計算相鄰兩點之間最短距離，生成帶權(quán)鄰接矩陣，再從矩陣中篩選兩點之間的最短路徑，即可找到從起點至目標(biāo)點的最優(yōu)路徑。因該算法的到的是通過各點抵達(dá)目標(biāo)點的路線，所以需要在路線上做些改動，在抵達(dá)各障礙點時進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)向，避開該障礙物。

5 結(jié)論

設(shè)計一種基于ORB-SLAM2 系統(tǒng)結(jié)合激光雷達(dá)與相機實現(xiàn)智能避障的探索機器人。依靠SLAM系統(tǒng)構(gòu)建地圖篩選地圖關(guān)鍵幀，通過柵格解法定位處在目標(biāo)路線上的障礙點，再利用Dijkstra 算法找到最優(yōu)路線，周期化機器人運動，完成探索工作。整個過程具有自主能力，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，在接收相關(guān)指令后還可以抓取小物體進(jìn)行攜帶，缺點是算法復(fù)雜性較高，對處理器有較高要求。此外機器人可以針對具體使用環(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，也可實現(xiàn)多臺智能機器人共同工作，相互配合，高效的探索未知區(qū)域的，具有較強應(yīng)用價值。