机器人导航常用技术

隨著人口紅利的逐漸消失，機(jī)器人代替人工完成簡(jiǎn)單、重復(fù)性工作已是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)于一些在商用場(chǎng)景中使用的服務(wù)機(jī)器人來(lái)說，不僅需要涉及到語(yǔ)音識(shí)別、人機(jī)交互等技術(shù)，機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)也成為其中的關(guān)鍵。

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人導(dǎo)航的基本環(huán)節(jié)

1.感知

機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的感知通常會(huì)涉及到激光雷達(dá)、深度攝像頭、超聲波等傳感器。相比于其他傳感器，激光雷達(dá)傳感器具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人感知的核心傳感器。目前激光雷達(dá)傳感器有單線及多線之分，但應(yīng)用于機(jī)器人身上主要以單線激光雷達(dá)為主。激光雷達(dá)好比機(jī)器人的“眼睛”，可對(duì)周圍物體實(shí)現(xiàn)全方位測(cè)距掃描，以確定物體的位置、大小、外部形狀等，并生成周圍環(huán)境的輪廓信息圖。

2.定位建圖

機(jī)器人想要到達(dá)某個(gè)目的地，需要和人類繪制地圖一樣，描述環(huán)境、認(rèn)識(shí)環(huán)境的過程主要就是依靠地圖。它利用環(huán)境地圖來(lái)描述當(dāng)前環(huán)境信息，并隨著使用的算法與傳感器差異的不同，所采用的地圖描述形式也不同，在機(jī)器人學(xué)中，地圖的表示方法主要包括了格柵地圖、特征點(diǎn)地圖、直接表征法以及拓?fù)涞貓D這四種。柵格地圖是目前機(jī)器人應(yīng)用最為廣泛的地圖儲(chǔ)存方式，它看起來(lái)和人們所認(rèn)知的地圖區(qū)別不大，本質(zhì)上就是一張位圖圖片，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。

3.路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的基本環(huán)節(jié)，指的是機(jī)器人在有障礙物的工作環(huán)境中，如何找到一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)路徑，使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中能安全、無(wú)碰撞地繞過所有障礙物。根據(jù)對(duì)環(huán)境信息的掌握程度不同，路徑規(guī)劃可分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。

全局路徑規(guī)劃是在已知的環(huán)境中規(guī)劃的行走路線，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，該方法就無(wú)能為力了。而局部路徑規(guī)劃則是在環(huán)境信息完全未知或有部分可知，側(cè)重于考慮機(jī)器人當(dāng)前的局部環(huán)境信息，讓機(jī)器人具有良好的避障能力。

全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，很多適用于全局路徑規(guī)劃的方法經(jīng)過改進(jìn)也可以用于局部路徑規(guī)劃，而適用于局部路徑規(guī)劃的方法同樣經(jīng)過改進(jìn)后也可適用于全局路徑規(guī)劃。兩者協(xié)同工作，機(jī)器人才能更可靠的規(guī)劃行走路徑。

4.避障

避障是保證機(jī)器人運(yùn)行安全的關(guān)鍵，在感知中我們提到過激光雷達(dá)、超聲波、深度攝像頭、防跌落等傳感器。

雖然激光雷達(dá)被認(rèn)為是其中的核心，但在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障中，由于不同傳感器各有優(yōu)劣，多傳感器的相互融合是目前實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障的常用方案。

機(jī)器人導(dǎo)航常用技術(shù)

相較于鋪設(shè)導(dǎo)引線、貼二維碼等導(dǎo)航方式，激光SLAM導(dǎo)航無(wú)需放置標(biāo)示性物體，也不會(huì)受到地面二維碼的限定，能夠讓機(jī)器人隨意在室內(nèi)環(huán)境中行走，因此被認(rèn)為是目前最受歡迎的導(dǎo)航方式。

激光SLAM脫胎于早期的基于測(cè)距的定位方法。激光雷達(dá)的出現(xiàn)和普及使得測(cè)量更快更準(zhǔn)，信息更豐富。激光雷達(dá)采集到的物體信息呈現(xiàn)出一系列分散的、具有準(zhǔn)確角度和距離信息的點(diǎn)，被稱為點(diǎn)云。通常，激光SLAM系統(tǒng)通過對(duì)不同時(shí)刻兩片點(diǎn)云的匹配與比對(duì)，計(jì)算激光雷達(dá)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離和姿態(tài)的改變，也就完成了對(duì)機(jī)器人自身的定位。

激光雷達(dá)距離測(cè)量比較準(zhǔn)確，誤差模型簡(jiǎn)單，在強(qiáng)光直射以外的環(huán)境中運(yùn)行穩(wěn)定，點(diǎn)云的處理也比較容易。同時(shí)，點(diǎn)云信息本身包含直接的幾何關(guān)系，使得機(jī)器人的路徑規(guī)劃和導(dǎo)航變得直觀。激光SLAM理論研究也相對(duì)成熟，落地產(chǎn)品更豐富。

作為業(yè)內(nèi)最早將激光SLAM應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人的企業(yè)，思嵐科技在該領(lǐng)域已有成熟解決方案。思嵐科技SLAM Cube是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位導(dǎo)航的核心產(chǎn)品之一，它可幫助企業(yè)及行業(yè)用戶實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)機(jī)器人積木式的快捷搭建，滿足機(jī)器人本體廠家、方案集成商以及行業(yè)客戶進(jìn)行快速高效的機(jī)器人產(chǎn)品研發(fā)集成。

SLAM Cube采用模塊化設(shè)計(jì)，提供可適用于多種室內(nèi)外場(chǎng)景的商用機(jī)器人自主定位導(dǎo)航能力，且在此基礎(chǔ)上集成電源控制管理，傳感器信號(hào)采集管理、電機(jī)控制管理、自動(dòng)/應(yīng)急充電管理等一體化功能。通過適配多種類型傳感器、電機(jī)、電池等，幫助客戶用積木化的方式便捷搭建專屬的機(jī)器人底盤系統(tǒng)，滿足客制化需求。

SLAM Cube模塊化機(jī)器人定位導(dǎo)航“魔方”主要由主控盒（SLAM Cube控制核心）、電源管理盒、工控機(jī)、傳感器采集盒、自動(dòng)充電通信板五大模塊組成。

1.主控盒（SLAM Cube控制核心）

作為系統(tǒng)控制核心，主控盒主要用于接收雷達(dá)及各類傳感器數(shù)據(jù)，提供 及路徑規(guī)劃功能并輸出電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制，支持IPC擴(kuò)展。

2.電源管理盒

作為系統(tǒng)電源管理核心，接受電池輸入，為主控盒、用戶以及電機(jī)提供供電，并同時(shí)提供過流保護(hù)，支持電池自動(dòng)與應(yīng)急充電回路。

3.工控機(jī)

控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的核心中樞，起到數(shù)據(jù)處理作用，充當(dāng)了機(jī)器人“大腦”的角色。

4.傳感器采集盒

提供傳感器數(shù)據(jù)采集并上報(bào)主控盒。

5.自動(dòng)充電通信板

通過紅外通信進(jìn)行對(duì)樁，為底盤提供自動(dòng)充電功能。

實(shí)際操作過程中，機(jī)器人廠家僅需對(duì)以上模塊進(jìn)行組裝拼接，只需這簡(jiǎn)單幾步便可成功組件智能移動(dòng)機(jī)器人：其他外部硬件準(zhǔn)備→SLAM Cube各組件之間連線→整機(jī)上電→系統(tǒng)運(yùn)行→成功組件智能移動(dòng)機(jī)器人。

對(duì)于想快速占領(lǐng)市場(chǎng)先機(jī)的服務(wù)機(jī)器人企業(yè)來(lái)說，與其投入大量精力自主機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)，不少企業(yè)更愿意選擇目前市面上已有的成熟導(dǎo)航方案，而本身只專注于開發(fā)機(jī)器人上層結(jié)構(gòu)，這樣可節(jié)省大量研發(fā)成本。