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hello，every在之前的分享中，我們分別介紹了機(jī)器人繪制地圖的四種表現(xiàn)方式以及在實(shí)現(xiàn)SLAM的過(guò)程中都會(huì)遇到那些坑？ 這周，讓我們來(lái)繼續(xù)探討機(jī)器人自主移動(dòng)的秘密，看看SLAM技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主移動(dòng)的！ 首先，先看看SLAM與路徑規(guī)劃的關(guān)系！
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2017-8-16 10:21 上傳
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。
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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)，等待障礙物離開或者重新規(guī)劃路徑了。如果掃地機(jī)器人買回家，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、走廊這種概念？
針對(duì)這些問題，學(xué)術(shù)界長(zhǎng)久以來(lái)有一個(gè)專門的研究課題，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。
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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。
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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。
針對(duì)掃地機(jī)器人，我們將其特有的路徑規(guī)劃功能預(yù)先內(nèi)置在SLAMWARE中，方便廠家進(jìn)行整合，不需要進(jìn)行二次開發(fā)。
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