李容宇 熊敏 蔣宏凱 崔浩 任潔

摘要：近年來，智能機(jī)器人技術(shù)在無人駕駛汽車、無人機(jī)、掃地機(jī)器人等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，移動(dòng)機(jī)器人SLAM和導(dǎo)航技術(shù)作為智能機(jī)器人的重要研究方向，其關(guān)鍵技術(shù)包含定位、地圖構(gòu)建和路徑規(guī)劃。我們?cè)谶x擇SLAM算法的種類時(shí)，會(huì)考慮當(dāng)下技術(shù)比較成熟的激光SLAM，項(xiàng)目使用的激光雷達(dá)為成本較低的單線激光雷達(dá)，驅(qū)動(dòng)采用STM32開發(fā)板，主控則是樹莓派4B，以基于粒子濾波算法為理論依據(jù)，在ROS操作系統(tǒng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)小車對(duì)其所處場景中的實(shí)時(shí)定位與地圖構(gòu)建。

關(guān)鍵詞：SLAM算法;激光雷達(dá);粒子濾波;實(shí)時(shí)定位與地圖構(gòu)建

1引言

SLAM全稱Simultaneous localization and mapping，是即時(shí)定位與建圖的縮寫，主要用于解決機(jī)器人在未知環(huán)境運(yùn)動(dòng)時(shí)的定位與地圖構(gòu)建問題。對(duì)于市面上的激光雷達(dá)，主要用于環(huán)境探測(cè)和地圖構(gòu)建。

目前，SLAM技術(shù)被廣泛運(yùn)用于機(jī)器人、無人機(jī)、無人駕駛、AR、VR等領(lǐng)域，依靠傳感器可實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自主定位、建圖、路徑規(guī)劃等功能。由于傳感器不同，SLAM的實(shí)現(xiàn)方式也有所不同，按傳感器來分，SLAM主要包括激光SLAM和視覺SLAM兩大類。其中，激光SLAM比視覺SLAM起步早，在理論、技術(shù)和產(chǎn)品落地上都相對(duì)成熟。基于視覺的SLAM方案目前主要有兩種實(shí)現(xiàn)路徑，一種是基于RGBD的深度攝像機(jī)，比如Kinect;還有一種就是基于單目、雙目或者魚眼攝像頭的。視覺SLAM目前尚處于進(jìn)一步研發(fā)和應(yīng)用場景拓展、產(chǎn)品逐漸落地階段。

2激光SLAM和視覺SLAM的比較

2.1發(fā)展背景

移動(dòng)機(jī)器人（AGV）是工業(yè)機(jī)器人的一種。它由計(jì)算機(jī)控制，具有移動(dòng)、自動(dòng)導(dǎo)航、多傳感器控制、網(wǎng)絡(luò)交互等功能，在實(shí)際生產(chǎn)中最主要的用途是搬運(yùn)，可以說只要有搬運(yùn)需求的地方，就有移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用可能。

近年來，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到快速發(fā)展。人們致力于把移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用于各種場景中，從室內(nèi)外搬運(yùn)機(jī)器人，到服務(wù)型機(jī)器人，再到工業(yè)機(jī)器人等，移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)用都得到了巨大突破。

在移動(dòng)機(jī)器人研究中一個(gè)最關(guān)鍵的技術(shù)就是即時(shí)定位和建圖，也就是所謂的SLAM技術(shù)。SLAM它試圖解決這樣的問題：一個(gè)機(jī)器人在未知的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，如何通過對(duì)環(huán)境的觀測(cè)確定自身的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)構(gòu)建出環(huán)境的地圖。

SLAM技術(shù)正是為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)涉及到的諸多技術(shù)的總和。由于其重要的理論與應(yīng)用價(jià)值，被很多學(xué)者認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)真正全自主移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵。

2.2激光SLAM和視覺SLAM的區(qū)別

激光SLAM：早在2005年的時(shí)候，激光SLAM就已經(jīng)被研究得比較透徹，框架也已初步確定。激光SLAM，是目前最穩(wěn)定、最主流的定位導(dǎo)航方法。

視覺SLAM：隨著計(jì)算機(jī)視覺的迅速發(fā)展，視覺SLAM因?yàn)樾畔⒘看?，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。

（1）基于深度攝像機(jī)的視覺SLAM，跟激光SLAM類似，通過收集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能直接計(jì)算障礙物距離;

（2）基于單目、魚眼相機(jī)的視覺SLAM方案，利用多幀圖像來估計(jì)自身的位姿變化，再通過累計(jì)位姿變化來計(jì)算距離物體的距離，并進(jìn)行定位與地圖構(gòu)建;但視覺SLAM目前尚處于進(jìn)一步研發(fā)和應(yīng)用場景拓展、產(chǎn)品逐漸落地階段。

激光SLAM構(gòu)建的地圖精度高，不存在累積誤差，求能直接用于定位導(dǎo)航，但也有一定局限性，比如在又長又直、兩側(cè)是墻壁的長廊或是動(dòng)態(tài)變化大的環(huán)境中，單純依靠激光SLAM容易發(fā)生定位丟失的情況。

視覺SLAM構(gòu)建的地圖精度較低，存在一定的累計(jì)誤差，且不能直接用于定位導(dǎo)航。

激光SLAM是目前比較成熟的定位導(dǎo)航方案，而視覺SLAM是未來研究的一個(gè)主流方向，并且在未來多傳感器的融合也將是一種必然的趨勢(shì)，發(fā)揮優(yōu)勢(shì)結(jié)合的作用才能真正地為市場打造最優(yōu)SLAM方案。受此影響，加上經(jīng)費(fèi)和技術(shù)的有限，團(tuán)隊(duì)更青睞于激光SLAM。

3激光雷達(dá)選型

激光雷達(dá)分為單線和多線兩大類，針對(duì)這兩類Lidar所使用的算法也不盡相同。

單線雷達(dá)一般應(yīng)用在平面運(yùn)動(dòng)場景，2D Lidar SLAM是單線雷達(dá)建構(gòu)二維地圖的SLAM算法，SLAM算法有：gmapping， hector， karto， cartographer。通常數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)都限制在2D平面內(nèi)且運(yùn)動(dòng)平面與激光掃描平面平行。多線雷達(dá)應(yīng)用于三維運(yùn)動(dòng)場景，3D Lidar SLAM則是主要針對(duì)多線雷達(dá)的，比較出名的有LOAM， LeGO-LOAM， LOAM-livox等。

單線激光雷達(dá)是指激光源發(fā)出的線束是單線的雷達(dá)，目前主要應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域，以服務(wù)機(jī)器人居多，可以幫助機(jī)器人規(guī)避障礙物，其掃描速度快、分辨率強(qiáng)、可靠性高， 相比多線激光雷達(dá)，單線激光雷達(dá)在角頻率及靈敏度上反應(yīng)更快捷，所以，在測(cè)試周圍障礙物的距離和精度上都更加精準(zhǔn)。但單線雷達(dá)只能平面式掃描，不能測(cè)量物體高度，當(dāng)前主要應(yīng)用于我們常見的掃地機(jī)器人、送餐機(jī)器人及酒店等服務(wù)機(jī)器人身上。

多線激光雷達(dá)是指同時(shí)發(fā)射及接收多束激光的激光旋轉(zhuǎn)測(cè)距雷達(dá)，市場上目前有4線、8線、16 線、32 線、 64 線和128線之分，多線激光雷達(dá)可以識(shí)別物體的高度信息并獲取周圍環(huán)境的3D掃描圖，主要應(yīng)用于無人駕駛領(lǐng)域。其中有兩個(gè)核心的作用：

（1）3D建模及環(huán)境感知：通過多線激光雷達(dá)可以掃描到汽車周圍環(huán)境的3D模型，運(yùn)用相關(guān)算法對(duì)比上一幀及下一幀環(huán)境的變化，能較為容易地檢測(cè)出周圍的車輛及行人。

（2）SLAM定位加強(qiáng)：同步建圖（SLAM）是其另一大特性，通過實(shí)時(shí)得到的全局地圖與高精度地圖中的特征物進(jìn)行比對(duì)，能加強(qiáng)車輛的定位精度并實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。

4利用SLAM自動(dòng)巡航原理

機(jī)器人底層控制部分及底盤底層控制器采用STM32芯片作為處理單元，接受控制信號(hào)控制機(jī)器人移動(dòng)，獲取IMU單元所測(cè)得的底盤機(jī)器人的位姿。STM32通過TTL-USB轉(zhuǎn)接線接入樹莓派USB接口，與樹莓派通訊。并通過這樣的方式將位姿信號(hào)傳送給作為機(jī)器人上層控制器的樹莓派。底盤部分包括兩個(gè)編碼電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輪，電機(jī)驅(qū)動(dòng)板等。通過對(duì)兩個(gè)車輪的差速控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，前進(jìn)等移動(dòng)。核心控制部件采用樹莓派4B作為核心控制部件，用以獲取機(jī)器人的位姿信息，獲取來自單線激光雷達(dá)RP-lidar的點(diǎn)云信息。此外，無人值守智能安保機(jī)器人還采用基于粒子濾波算法的激光SLAM。

底盤機(jī)器人建圖實(shí)驗(yàn)PC機(jī)通過虛擬機(jī)終端窗口的ssh命令與樹莓派建立通訊。

啟動(dòng)設(shè)置好的bringup.launch文件，實(shí)驗(yàn)時(shí)機(jī)器人移動(dòng)，本團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用樹莓派上的終端打開bringup.launch文件和teleop_twist_keyboard.pyPython文件也可以是機(jī)器人移動(dòng)。完成對(duì)其所在環(huán)境的掃描獲取點(diǎn)云信息，實(shí)時(shí)的結(jié)合慣性測(cè)量單元獲取的位姿信息，構(gòu)建場景地圖。使用ROS下的Rviz軟件顯示建圖過程，建圖結(jié)果由PC機(jī)Ubuntu操作系統(tǒng)終端輸入指令獲得并保存。

在完成場景地圖構(gòu)建后，需要在所構(gòu)建的地圖基礎(chǔ)上進(jìn)行基于地圖的位置和路徑規(guī)劃來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人AGV的導(dǎo)航。機(jī)器人AGV運(yùn)動(dòng)過程中，通過里程計(jì)信息結(jié)合激光傳感器獲取的激光數(shù)據(jù)與地圖進(jìn)行匹配，不斷地實(shí)時(shí)獲取AGV在地圖中的精確位姿，同時(shí)，根據(jù)當(dāng)前位置與任務(wù)目的地進(jìn)行路徑規(guī)劃（動(dòng)態(tài)路線或者固定路線，且每次的路線都略微不同），根據(jù)規(guī)劃得到的軌跡給機(jī)器人AGV發(fā)送控制指令，使機(jī)器人AGV實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛。

總結(jié)

本項(xiàng)目在基于SLAM算法實(shí)現(xiàn)無人值守智能安保機(jī)器人時(shí)考慮使用激光SLAM這個(gè)成熟的定位導(dǎo)航方案，并且在基于粒子濾波的激光SLAM構(gòu)建出精確的場景圖，使機(jī)器人更好的自動(dòng)巡航，能更好更容易地滿足以服務(wù)為主體的機(jī)器人設(shè)計(jì)。另外，在經(jīng)歷本次項(xiàng)目研究以后獲得很多學(xué)習(xí)知識(shí)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，對(duì)未來的成長有著不小的作用。

天津市高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，AI上平安-無人值守智能安保機(jī)器人，項(xiàng)目編號(hào)：202013898009。

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