基于SLAM算法的移動機器人自主導航研究

1．本課題的研究內(nèi)容、重點及難點

研究內(nèi)容：

機器人在室內(nèi)環(huán)境或缺少全局位置信號(GPS等)的情況下，以機器人搭載的內(nèi)部傳感器和外部傳感器數(shù)據(jù)為輸入條件，系統(tǒng)地解決機器人自主定位與地圖創(chuàng)建的問題，為機器人以后切實能夠在廢墟環(huán)境內(nèi)部自主運行做理論性的嘗試和前期的探索。

具體要求如下：

（1） 通過對移動機器人控制系統(tǒng)的功能要求分析，確定系統(tǒng)的總體設計方案；

（2） 可圍繞室內(nèi)環(huán)境中的定位與地圖創(chuàng)建問題，機器人同步定位與地圖創(chuàng)建(Simultaneous localization and mapping, SLAM)領(lǐng)域的混合地圖表達方法、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問題、局部地圖表示方法以及SLAM算法在室內(nèi)環(huán)境下的適應性問題等進行系統(tǒng)設計；

（3） 進行實驗調(diào)試，證明所提方法的有效性。

研究重點：

（1） 如何采集實際環(huán)境中的各類型原始數(shù)據(jù)；

（2） 如何估算不同時刻間移動目標相對位置；

（3） 如何構(gòu)建地圖。

研究難點：

（1） 如何優(yōu)化里程計帶來的累計誤差；

（2） 如何消除空間累計誤差。

2．準備情況（已查閱的參考文獻或進行的調(diào)研）

已查閱的參考文獻：

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調(diào)研情況：

機器人在現(xiàn)實生活的應用過程中，無論是室內(nèi)室外的導航服務、汽車的無人駕駛以及虛擬現(xiàn)實的模擬都需要通過自身搭載的各類傳感器采集環(huán)境中的距離、圖像等多種信息，然后估計自身主體的位姿同時構(gòu)建環(huán)境地圖，這就是同時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)(SLAM)�，F(xiàn)今的SLAM技術(shù)較為繁多，但使用過程中都有一定的局限性[1]。

例如通過無線信號進行定位的SLAM技術(shù)只能在事先搭建的環(huán)境中使用；使用GPS定位的SLAM技術(shù)顯然無法在室內(nèi)環(huán)境中正常工作，并且成本較高。而在SLAM技術(shù)發(fā)展的30多年以來，基于激光雷達的SLAM技術(shù)研究熱度卻從未降低。作為主流的SLAM技術(shù)，其有著其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)點，例如：其通過激光反射的原理，能夠完成對障礙物信息的準確判斷，不受光線的影響，在黑暗的環(huán)境下正常進行工作；可以搭載其他傳感器共同感知處理信息，構(gòu)建更為精確的環(huán)境地圖[2]。

激光SLAM技術(shù)主要依靠搭載的2D或3D激光雷達、IMU、里程計等傳感器完成建圖任務。最早的基于激光雷達的SLAM算法是由Smith于1988年提出的EKF-SLAM算法，使用了最大似然算法進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，但計算復雜、魯棒性差，構(gòu)建的地圖無法用于機器人導航任務[2]。2002年Montemerlo等人提出了FastSLAM算法，靈活地將SLAM問題分割為定位和地圖構(gòu)建兩個問題，并且能夠使用柵格地圖[3]。在此基礎上，Grisetti等人提出Gmapping算法，改善了采樣粒子數(shù)過大的問題，對位姿進行了掃描匹配，實現(xiàn)了較好的建圖效果，是目前使用最為廣泛的2D激光SLAM算法。之后激光SLAM算法研究進入了飛速發(fā)展的魯棒性時代。Lenac等[4]提出一種基于3D姿態(tài)的快速SLAM，使用了360°激光雷達能夠更好的估計車輛軌跡。Pierzchala等[5]針對森林技術(shù)，提出了基于graph-SLAM的同時定位和映射算法的局部圖。

3、實施方案、進度實施計劃

SLAM算法的選用：

在機器人領(lǐng)域，SLAM技術(shù)是極其重要的研究熱點。如何進行機器人的定位和路徑規(guī)劃，都需要以SLAM技術(shù)為前提[6]，所以它也是整個機器人導航系統(tǒng)的關(guān)鍵[7]。早期時候，基于濾波的激光雷達SLAM算法常應用于解決移動機器人SLAM問題[8]。隨著近些年來計算機和傳感器技術(shù)的高速發(fā)展，它們的性能方面有了極大的提升，所以在這種環(huán)境下，基于圖優(yōu)化的激光雷達SLAM算法嶄露頭角，漸漸成為發(fā)展的新方向。但基于濾波的SLAM算法在實際應用中仍然有著非常好的效果，占據(jù)著重要的基礎地位。其中的拓展卡爾曼濾波(EKF)和粒子濾波(PF)在早些年被主要集中研究，但EKF算法不適用于非線性系統(tǒng)，特別是在環(huán)境特征數(shù)目較大時計算復雜度過高[9]；基于PF的RBPF算法同樣因過多的采樣粒子難以在較為復雜的場景中完成建圖。針對這一系列難題，Gmapping算法優(yōu)化了粒子分布、完善了采樣過程，同時添加了里程計和傳感器的觀測信息來獲取更加精確地估計，有效地提高了算法運算效率，在室內(nèi)移動機器人建圖過程中被廣泛使用。

目前，主流的激光SLAM算法的優(yōu)缺點分析如表1所示。

表1 激光SLAM算法的優(yōu)缺點分析[10]

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Gmapping算法原理：

Gmapping算法是由Grisetti、Stachniss等人最早提出，其主要基于Rao-Blackwellized粒子濾波器原理，同時融合了擴展卡爾曼濾波器思想的二維激光SLAM算法，是目前室內(nèi)機器人領(lǐng)域廣泛使用的一種激光SLAM算法[2]。該算法將SLAM問題分成機器人位姿估計和環(huán)境地圖構(gòu)建兩個問題，利用粒子濾波和擴展卡爾曼估計機器人位姿與構(gòu)建地圖[11]。

如圖1所示為Gmapping算法整體框架。Gmapping算法在進行同時定位和地圖構(gòu)建時，除了接收處理激光傳感器的外部環(huán)境信息的同時還要接收處理機器人的里程計信息。最終將這兩種信息數(shù)據(jù)處理整合，同樣構(gòu)建出柵格地圖[12]。

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圖1 Gmapping 算法總體框架圖

基于ROS搭建仿真實驗平臺：

ROS旨在提供一個統(tǒng)一的、開源的編程框架，被用于在各種現(xiàn)實世界和模擬環(huán)境中控制機器人[13]。機器人包含很多重要的專業(yè)技術(shù)，并且要想使其成為大眾產(chǎn)品，仍然存在很多技術(shù)局限，因此，需要企業(yè)、專家和用戶一起努力。而ROS正是提供學者們一起協(xié)作和開發(fā)的平臺，它降低了機器人入門的技術(shù)門檻、促進了技術(shù)的傳播和使用，社區(qū)中的每個人都能做出自己的貢獻。其中有導航、SLAM、3D物體識別、多關(guān)節(jié)手臂的運動控制和機器學習等優(yōu)秀的開源資源供學者們一起學習[14]。

Gazebo是一款3D的物理仿真器，支持機器人開發(fā)中所需要的機器人、傳感器和環(huán)境模型，同時內(nèi)部搭載的物理引擎可以得到較好的仿真效果[15]。此外，Gazebo在ROS中有特定的接口，其中包含了ROS和Gazebo需要的所有控制，因此Gazebo和ROS非常兼容，這樣有利于在缺乏硬件平臺的情況下，可以先對功能進行仿真驗證。不僅如此，若在機器人模型上添加有激光雷達和攝像頭等傳感器，可以用過Rviz顯示對應傳感器的深度信息或者是點云信息。在本文后面的SLAM仿真研究中，Gmapping節(jié)點發(fā)布的柵格地圖，可以通過Rviz訂閱顯示[16]。因此，本設計選擇它們?yōu)榉抡孳浖�并進行相應的工作。

移動機器人設計方案：

一個完備的室內(nèi)移動機器人需要能夠完成自主導航的基本任務要求，基于這一實際的功能需求，移動機器人的系統(tǒng)設計必須包括檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)這三個主要部分[17]。如圖1所示為設計的移動機器人的系統(tǒng)框架圖。其中檢測機構(gòu)主要由激光雷達、IMU、里程計等組成，通過這些功能齊全的外部和內(nèi)部傳感器實時接收外界環(huán)境信息[18]；控制機構(gòu)作為移動機器人的核心需要處理檢測機構(gòu)獲得的數(shù)據(jù)信息，主要有主控制模塊“樹莓派”和底盤控制器STM32組成[14]；執(zhí)行機構(gòu)則受控于控制機構(gòu)，按照其發(fā)布的控制指令完成機器人的定向運動，主要由電機驅(qū)動器和電機組成[11]；為了能夠監(jiān)控移動機器人運動過程中的實時數(shù)據(jù)和運動情況，增加監(jiān)控機構(gòu)，由連接主控模塊的PC主機來完成監(jiān)控任務[19]。

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圖2 移動機器人系統(tǒng)框架圖

移動機器人在執(zhí)行自主導航任務時需要先驗的環(huán)境地圖信息和運動路徑線路作為前提條件，本設計方案中其具體內(nèi)容步驟如圖2所示[20]。由檢測機構(gòu)中的激光雷達、IMU、里程計等傳感器實現(xiàn)對環(huán)境障礙物信息和機器人自身位姿及運動信息的采集，并將采集到的信息傳輸?shù)娇刂茩C構(gòu)中[21]；控制機構(gòu)中的STM32底層控制器首先對接收的各個傳感器信息進行融合處理并傳送給主控模塊“樹莓派”，通過主控模塊“樹莓派”中已經(jīng)編寫好的SLAM算法實現(xiàn)移動機器人的位姿定位和局部地圖的構(gòu)建[22]；當移動機器人遍歷整個環(huán)境時，全局地圖不斷更新完善直至構(gòu)建完整[23]。

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圖3 移動機器人地圖構(gòu)建步驟圖

進度計劃：

（4）設計圖紙及樣機；

（5）程序源碼。