基于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理的智慧城市機(jī)器人視覺SLAM

室內(nèi)導(dǎo)航是在城市環(huán)境中使用機(jī)器人和無人機(jī)的主要緊迫問題之一，特別是在沒有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）信號(hào)的情況下。這在智慧城市的背景下尤其重要，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)的各種異構(gòu)設(shè)備、地面、水上和水下機(jī)器人、無人機(jī)和無人駕駛車輛組合在一個(gè)單一的信息管理系統(tǒng)中時(shí)，有目的地行動(dòng)，自主或遠(yuǎn)程操作。

在這方面，研究人員提出了一種通用的方法，以提高機(jī)器人和無人機(jī)使用的SLAM算法用于定位和映射的效率，其本質(zhì)是使用vSLAM的優(yōu)化算法以及一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程處理服務(wù)器。最初假設(shè)在目標(biāo)房間或建筑物中部署無線網(wǎng)絡(luò)（多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)）。資源密集型數(shù)據(jù)處理“轉(zhuǎn)移”到遠(yuǎn)程服務(wù)器（服務(wù)器），前提是機(jī)器人/無人機(jī)可以訪問它/它們（可以使用云、霧和/或邊緣服務(wù)器和框架）。這樣可以顯著減輕機(jī)器人/無人機(jī)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，并增加其操作時(shí)間。然而，通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，其處理并將結(jié)果發(fā)送到機(jī)器人/無人機(jī)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)航數(shù)據(jù)（地圖更新和機(jī)器人在本地空間中的位置）的提供延遲。解決這個(gè)問題的主要方法是使用數(shù)據(jù)壓縮方法和算法，更快的標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議，以及在網(wǎng)絡(luò)中的代理之間自適應(yīng)重新分配負(fù)載。

通常，可以區(qū)分為機(jī)器人創(chuàng)建遠(yuǎn)程vSLAM系統(tǒng)的兩種方法（圖1）。第一種方法意味著通過無線連接將來自傳感器（視頻流）的原始數(shù)據(jù)直接發(fā)送到遠(yuǎn)程云/霧/邊緣計(jì)算服務(wù)器。服務(wù)器執(zhí)行特征檢測(cè)和提取、姿態(tài)估計(jì)、映射、3D 點(diǎn)云拼接、地圖優(yōu)化和融合、跟蹤本地地圖、位置識(shí)別和閉環(huán)，而機(jī)器人僅負(fù)責(zé)向服務(wù)器發(fā)送視頻數(shù)據(jù)并檢索地圖關(guān)鍵幀/地圖更新?？梢允褂酶鞣N工具、協(xié)議、算法和數(shù)據(jù)壓縮方法（如JPEG、RVL、PNG ）來減少無線信道上的負(fù)載和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。該解決方案的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器人/無人機(jī)的計(jì)算負(fù)擔(dān)低，并且增加了運(yùn)行時(shí)間。缺點(diǎn)包括增加服務(wù)器上的計(jì)算負(fù)載，對(duì)無線數(shù)據(jù)傳輸通道的高要求，以及從服務(wù)器檢索機(jī)器人/無人機(jī)數(shù)據(jù)（處理的關(guān)鍵幀/地圖更新）的延遲增加。

圖1創(chuàng)建遠(yuǎn)程 vSLAM 系統(tǒng)和可視化數(shù)據(jù)處理的方法

第二種方法涉及移動(dòng)設(shè)備/機(jī)器人/無人機(jī)上的數(shù)據(jù)預(yù)處理（例如，特征檢測(cè)、提取和編碼），隨后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器（云/霧/邊緣計(jì)算）進(jìn)行進(jìn)一步處理并獲取地圖關(guān)鍵幀/地圖更新。該方法的優(yōu)點(diǎn)是減少了使用的網(wǎng)絡(luò)流量和無線帶寬要求。主要缺點(diǎn)是機(jī)器人/無人機(jī)的計(jì)算負(fù)載增加，從而減少了它們的運(yùn)行時(shí)間。圖 2 顯示了機(jī)器人和無人機(jī)遠(yuǎn)程 vSLAM 系統(tǒng)的分類。

圖2遠(yuǎn)程 vSLAM 系統(tǒng)的分類

通過分析，可以對(duì)智能城市環(huán)境中機(jī)器人/無人機(jī)室內(nèi)導(dǎo)航的有前途的vSLAM系統(tǒng)提出以下主要要求：

①單目和 RGB-D 都必須支持作為相機(jī)輸入；

②vSLAM 應(yīng)支持 640x480（480p）或1280 x 720（720p）分辨率，深度和RGB圖像至少為30FPS ；

③為了達(dá)到所需的FPS值，機(jī)器人/無人機(jī)的無線信道帶寬（上行鏈路和下行鏈路）應(yīng)至少為350Mbps。因此，建議啟用對(duì)Wi-Fi 802.11 n/ac/ax/ad 和/或5G無線標(biāo)準(zhǔn)的支持。使用 Wi-Fi 時(shí)，建議使用 5 GHz 信道。此外，還應(yīng)使用具有最小數(shù)據(jù)包丟失的可靠或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)協(xié)議;

④ vSLAM框架應(yīng)該同時(shí)具有多機(jī)器人和多服務(wù)器支持，具有自適應(yīng)工作負(fù)載和計(jì)算負(fù)擔(dān)平衡，以最大程度地減少延遲。分散式多機(jī)器人系統(tǒng)支持也是強(qiáng)制性的;

⑥耗時(shí)應(yīng)為20–30毫秒。最大延遲上限閾值應(yīng)為40毫秒，以確保最小磁道丟失率，定位精度不應(yīng)低于5cm。

室內(nèi)導(dǎo)航仍然是智慧城市中使用機(jī)器人和無人機(jī)的緊迫問題，尤其是在GNSS信號(hào)缺失或較弱的情況下。使用SLAM和vSLAM算法以及一個(gè)或多個(gè)邊緣/霧/云數(shù)據(jù)處理服務(wù)器進(jìn)行機(jī)器人/無人機(jī)的定位和映射是有前途的解決方案之一。基于對(duì)現(xiàn)有解決方案的分析并執(zhí)行分類，可以形成一套有前途的vSLAM系統(tǒng)的要求，用于機(jī)器人/無人機(jī)的室內(nèi)導(dǎo)航，包括其攝像頭輸入，分辨率，F(xiàn)PS數(shù)量，帶寬，無線標(biāo)準(zhǔn)，通道和協(xié)議的支持，多機(jī)器人/多服務(wù)器支持以及時(shí)間消耗。

審核編輯 ：李倩