淺析移動機(jī)器人的SLAM技術(shù)

自主導(dǎo)航是移動機(jī)器人自動運(yùn)行的一種關(guān)鍵技術(shù)，目前最主流的導(dǎo)航技術(shù)是SLAM（simultaneous localization and mapping）的方式，中文意思是”即時定位與地圖構(gòu)建“，其原理是通過傳感器對周圍環(huán)境進(jìn)行掃描，然后構(gòu)建一個和真實環(huán)境一致的地圖，同時對機(jī)器人位置進(jìn)行定位，并規(guī)劃一條正確的路徑，最終引導(dǎo)機(jī)器人安全到達(dá)指定的目的地。

目前，市面上大部分的移動機(jī)器人廠商都采用SLAM這種導(dǎo)航方式，相關(guān)技術(shù)和部件產(chǎn)品也已經(jīng)成熟。SLAM的方式擺了此前移動機(jī)器人對外部環(huán)境的依賴，例如必須要安裝導(dǎo)軌、磁條、二維碼等輔助設(shè)備，這種方式約束了機(jī)器人的活動范圍，也不利于生產(chǎn)線的臨時調(diào)整。

SLAM的方式主要有兩種，一種是基于激光LiDAR傳感器的方式，激光LiDAR傳感器快速掃描周轉(zhuǎn)環(huán)境，然后生產(chǎn)地圖進(jìn)行導(dǎo)航。另一種是視覺導(dǎo)航，利用攝像頭，對周邊的圖像進(jìn)行采集，利用算法生成地圖和運(yùn)行路徑。目前，兩種方式各有優(yōu)劣，也有廠家采用多種傳感器的方式，實現(xiàn)更高級標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)航。

視覺導(dǎo)航Visual SLAM

Visual SLAM即（vSLAM）是一種基于計算機(jī)視覺的技術(shù)，主要用于室內(nèi)定位導(dǎo)航。原理是通過視覺攝像機(jī)拍攝周圍的圖像，然后計算出周圍環(huán)境的位置和方向，也就是對未知環(huán)境進(jìn)行地圖構(gòu)建，然后就可以幫助移動機(jī)器人導(dǎo)航。

視覺導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)是：攝像頭相對比較便宜，不需要承擔(dān)大量的成本。此外，通過圖像可以分辨出周邊物體的紋理，從而識別出人、動物或者其他物體對象。

不過，視覺在運(yùn)算的過程需要大量的硬件資源，圖像占的儲存空間大，運(yùn)算起來比較復(fù)雜，開發(fā)難度也比較大。此外，視覺傳感器容易受到光線的影響而產(chǎn)錯誤的影像，例如在較暗的環(huán)境下不容易識別環(huán)境。不過從成本來看，視覺的方式相對激光雷達(dá)的要低。

激光導(dǎo)航LiDAR SLAM

LiDAR SLAM的方式是通過多個激光傳感收發(fā)器照亮物體，從而測量到物體的距離，例如墻壁或椅子等。每個收發(fā)器快速發(fā)射脈沖光，并測量反射的脈沖以確定障礙的位置和距離。

光的傳播速度很快，所以需要高性能的激光傳感器才能成功測出目標(biāo)的精確距離，因此，LiDAR成為一種快速而準(zhǔn)確的方法。不過，如果使用2D LiDAR時，可能因為物體遮擋而信息丟失。雖然3D激光傳感器能夠解決這些問題，但成本十分昂貴。

總的來說，LiDAR更快，更準(zhǔn)確，但成本也更高。而vSLAM更具成本效益，可以使用價格便宜的攝像頭，并具有3D地圖的潛力，但運(yùn)行速度比激光要慢，精確上也不及激光。

無論視覺SLAM還是LiDAR SLAM，用戶都需要為SLAM系統(tǒng)配置可靠的運(yùn)算平臺，以實現(xiàn)最佳性能。未來基于多傳感器的方式將會更適應(yīng)于移動機(jī)器人，例如加上紅外、超聲等傳感器技術(shù)，可以進(jìn)一步確保機(jī)器人在不同環(huán)境下能準(zhǔn)確測量和計算出障礙物的距離。

那么問題來了，商用自主移動機(jī)器人和工業(yè)移動機(jī)器人到底差在哪里，為什么價格會相差這么大？

其實道理也很簡單，一部IPHONE手機(jī)和一部千元機(jī)的基礎(chǔ)功能在都相差無幾，但是價格差異十分懸殊。究其根本，是產(chǎn)品質(zhì)量和研發(fā)技術(shù)上的差距。拋開具體功能不談，商用移動機(jī)器人和工業(yè)移動機(jī)器人在定位精度和運(yùn)行穩(wěn)定度及運(yùn)行頻次、時長上的要求大有不同，這也就決定了兩類機(jī)器人在硬件屬性、軟件功能及算法運(yùn)用的差異和不同。

商用移動機(jī)器人

商用機(jī)器人就拿咱們最常見的掃地機(jī)器人來說，目前市面上的掃地機(jī)器人多采用視覺SLAM的導(dǎo)航方式。掃地機(jī)器人系統(tǒng)通常由四個部分組成：移動機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動機(jī)構(gòu)是掃地機(jī)器人的主體，決定了機(jī)器人的運(yùn)動空間，一般采用輪式機(jī)構(gòu)。

感知系統(tǒng)一般采用超聲波測距儀、接觸和接近覺傳感器、紅外線傳感器和CCD攝像機(jī)等?？梢钥吹剑陨嫌门c感知的設(shè)備成本想必工業(yè)移動機(jī)器人的激光雷達(dá)及配備的感知器、攝像機(jī)而言，成本相差數(shù)十倍。但是滿足掃地需求還是沒有問題的。主要保證機(jī)器人能夠在平面內(nèi)移動。殼體前端和側(cè)面裝有紅外開關(guān)，作為碰撞檢測傳感器。底面的3個紅外開關(guān)作為臺階檢測傳感器，防止跌落。驅(qū)動輪上裝有光電編碼盤，可以對輪速進(jìn)行檢測和控制，實現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。同時還擴(kuò)展了超聲波傳感器，用于精確定位的需要；

隨著近年來計算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，掃地機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已具備了堅實的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。掃地機(jī)器人的控制與工作環(huán)境往往是不確定的或多變的，因此必須兼顧安全可靠性、抗干擾性以及清潔度。用傳感器探測環(huán)境、分析信號，以及通過適當(dāng)?shù)慕７椒▉砝斫猸h(huán)境，具有特別重要的意義。近年來對智能機(jī)器人的研究表明，對于工作在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的自主式移動機(jī)器人，要進(jìn)一步提高其自動化程度，主要依靠模式識別及障礙物識別、實時數(shù)據(jù)傳輸及適當(dāng)人工智能方法，還需要進(jìn)一步開發(fā)全局模型，從而為機(jī)器人獲取全局信息。

當(dāng)然，在一些高精度要求的商業(yè)服務(wù)復(fù)雜場景，激光SLAM技術(shù)也有實戰(zhàn)的空間，價格也會跟著昂貴起來。它們已在餐廳、商場、酒店、銀行、醫(yī)院等各大服務(wù)場所中“嶄露頭角”，尤其在本次疫情抗擊中，激光SLAM自主移動機(jī)器人更是站上了“風(fēng)口浪尖”。一時間醫(yī)護(hù)助理機(jī)器人、清潔消毒機(jī)器人、運(yùn)輸配送等機(jī)器人出現(xiàn)在各個領(lǐng)域的前線，減少了人與人之間的近距離接觸，最大程度的保證了相關(guān)人員的安全。精細(xì)化構(gòu)圖技術(shù)，可構(gòu)建高精度、厘米級甚至毫米級（毫米級一般是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）的地圖，具備超高分辨率，且不存在累加誤差。構(gòu)建的地圖規(guī)則、精細(xì)，可直接使用，無需二次優(yōu)化修飾，能直接滿足使用預(yù)期。在復(fù)雜多變，環(huán)境不受控制的應(yīng)用場所（如醫(yī)院、商場、寫字樓等人流量大場所）行走時，可實時動態(tài)識別環(huán)境中的人或者移動障礙物，并進(jìn)行靈活規(guī)避和路線規(guī)劃。

工業(yè)移動機(jī)器人

在工業(yè)領(lǐng)域，移動機(jī)器人已經(jīng)成為一種驗證工廠自動化的標(biāo)準(zhǔn)和潮流。拋開SLAM技術(shù)不談，磁條和二維碼技術(shù)在工業(yè)和倉儲領(lǐng)域的使用由來已久，行業(yè)也積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗。但隨著自動化水平的提高，工廠生產(chǎn)對產(chǎn)線的要求也趨于多樣化、多頻次、小周期。因此，產(chǎn)線靈活柔性的要求應(yīng)運(yùn)而生，SLAM技術(shù)剛好便可以解決這一需求。但是視覺SLAM在圖像處理中，邊緣銳化、特征提取等圖像處理方法計算量大，實時性差，對處理機(jī)要求高。另外，視覺測距法檢測不到玻璃等透明障礙物的存在，另外受視場光線強(qiáng)弱、煙霧的影響大。因此不作為主流使用，一般都是視覺傳感作為輔助搭配激光SALM進(jìn)行工作。

不管是 Sick，倍加福，還是 Velodyne，價格從幾萬到幾十萬不等，成本相對來說比較高，但目前國內(nèi)也有低成本激光雷達(dá)（RPLIDAR）解決方案。VSLAM 主要是通過攝像頭來采集數(shù)據(jù)信息，跟激光雷達(dá)一對比，攝像頭的成本顯然要低很多。但激光雷達(dá)能更高精度的測出障礙點(diǎn)的角度和距離，方便定位導(dǎo)航。

除配備激光雷達(dá)外，還需要機(jī)器人具有IMU（慣性測量單元）、里程計來為激光雷達(dá)提供輔助數(shù)據(jù)，否則SLAM系統(tǒng)也難以得到運(yùn)行?？偟膩碚f，SLAM算法本身是一個對于外部系統(tǒng)有著多種依賴的算法，這是一個切實的工程問題。我們知道很多機(jī)器人，比如掃地機(jī)是不可能裝一個PC進(jìn)去的。為了讓SLAM能在這類設(shè)備里運(yùn)行，除了解決激光雷達(dá)成本外，還要對SLAM算法做出很好的優(yōu)化。目前斯坦德機(jī)器人已經(jīng)完美實現(xiàn)了各環(huán)節(jié)的自主研發(fā)和項目落地驗證，在業(yè)內(nèi)激光SLAM技術(shù)上領(lǐng)跑各行。

斯坦德機(jī)器人作為專注于工業(yè)級移動機(jī)器人研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，實現(xiàn)了從機(jī)器人激光SLAM底層定位算法、操作系統(tǒng)、控制器等核心元素的自主研發(fā)全覆蓋，主要產(chǎn)品為激光SLAM導(dǎo)航AGV及其調(diào)度系統(tǒng)。致力于為優(yōu)秀的系統(tǒng)集成商及終端制造工廠尋找標(biāo)準(zhǔn)化、可復(fù)制的算法應(yīng)用場景，實現(xiàn)其柔性化、敏捷化的廠內(nèi)物流需求，為客戶踐行輕資產(chǎn)、回報快的初期物流投入，為行業(yè)構(gòu)建信息化、數(shù)據(jù)化的物流基礎(chǔ)設(shè)施，是全球真正踐行把激光導(dǎo)航AGV應(yīng)用于華為、中興、富士康等實際工業(yè)物流領(lǐng)域的高科技企業(yè)。