機(jī)器人自主移動(dòng)的秘密：實(shí)際應(yīng)用中，SLAM究竟是如何實(shí)現(xiàn)的？（二）

雷鋒網(wǎng)按：本文作者SLAMTEC（思嵐科技公號(hào)slamtec-sh）技術(shù)顧問(wèn)，專注SLAM及相關(guān)傳感器研發(fā)應(yīng)用。本文是《機(jī)器人自主移動(dòng)的秘密》系列第二篇。

SLAM主要解決機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位與自動(dòng)建圖問(wèn)題，那么，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，SLAM究竟是如何實(shí)現(xiàn)的呢？在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中有哪些難點(diǎn)？

這是一個(gè)完整的SLAM和導(dǎo)航系統(tǒng)的主要架構(gòu)圖：

其中，SLAM核心過(guò)程包括3個(gè)步驟，第一步稱為預(yù)處理。

我們知道，激光雷達(dá)和其他雷達(dá)設(shè)備一樣，某一個(gè)時(shí)刻只能獲取它所在位置的環(huán)境信息。

這就是我們所說(shuō)的點(diǎn)云，它只能反映機(jī)器人所在環(huán)境中的一個(gè)部分。第一步預(yù)處理就是對(duì)激光雷達(dá)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，剔除一些有問(wèn)題的數(shù)據(jù)，或者進(jìn)行濾波。

第二步是匹配，也就是說(shuō)把當(dāng)前這一個(gè)局部環(huán)境的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在已經(jīng)建立地圖上尋找到對(duì)應(yīng)的位置，這個(gè)步驟非常關(guān)鍵。

這個(gè)是ICP的點(diǎn)云匹配算法，用于實(shí)現(xiàn)匹配。說(shuō)這個(gè)過(guò)程關(guān)鍵，就是因?yàn)樗暮脡模苯佑绊懥薙LAM構(gòu)建地圖的精度。這個(gè)過(guò)程和我們玩拼圖游戲有點(diǎn)類似，就是在已經(jīng)拼好的畫(huà)面中找到相似之處，確定新的一個(gè)拼圖該放在哪里。

在SLAM過(guò)程中，需要將激光雷達(dá)當(dāng)前采集的點(diǎn)云（紅色部分）匹配拼接到原有地圖中。

如果不進(jìn)行匹配過(guò)程，所構(gòu)建的地圖可能就亂成一團(tuán)，變成這樣。

在這個(gè)部分完畢以后，就進(jìn)行第三步，地圖融合，也就是將這一輪來(lái)自激光雷達(dá)的新數(shù)據(jù)拼接到原始地圖當(dāng)中，最終完成地圖的更新。

就像這個(gè)圖一樣，這個(gè)過(guò)程是永遠(yuǎn)伴隨SLAM過(guò)程的。

數(shù)據(jù)融合和簡(jiǎn)單的貼圖是有很大的差異的。因?yàn)閷?shí)際上傳感器描繪的世界存在一定的誤差，或者正巧在這個(gè)時(shí)間環(huán)境有了變化，例如機(jī)器人旁邊闖入了一只小貓。

因此，實(shí)際要進(jìn)行的過(guò)程會(huì)更加復(fù)雜，需要用很多概率算法，并采用濾波的方式進(jìn)行融合。將上述這個(gè)過(guò)程逐次執(zhí)行，就最終產(chǎn)生了我們看到的柵格地圖。

這個(gè)過(guò)程聽(tīng)起來(lái)其實(shí)并不復(fù)雜，但是要處理好有很大難度。這里舉幾個(gè)例子，比如叫做Loop Closure（回環(huán)）問(wèn)題。如果匹配算法不足夠優(yōu)秀，或者環(huán)境中存在很不巧的干擾，當(dāng)機(jī)器人繞著環(huán)境一圈后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)原本是應(yīng)該閉合的一個(gè)環(huán)形走廊斷開(kāi)了。

比如正常地圖應(yīng)該這樣：

如果處理不好，實(shí)際地圖就成這樣：

對(duì)于環(huán)境比較大的場(chǎng)景，回環(huán)問(wèn)題是不得不面對(duì)的，但現(xiàn)實(shí)總是不完美的，即使是激光雷達(dá)這種高精度傳感器，也難免存在誤差。而回環(huán)問(wèn)題的難點(diǎn)恰恰在于在一開(kāi)始出現(xiàn)少許誤差的時(shí)候，并不會(huì)被發(fā)覺(jué)，直到機(jī)器人繞著環(huán)路一圈，隨著誤差的累加，發(fā)現(xiàn)環(huán)路已經(jīng)無(wú)法閉合時(shí)，此時(shí)已經(jīng)釀成大錯(cuò)，一般很難回天。當(dāng)然這個(gè)問(wèn)題并不是無(wú)解，一個(gè)好的商用化SLAM系統(tǒng)，回環(huán)問(wèn)題是否能很好的解決，就成為評(píng)判這個(gè)系統(tǒng)實(shí)力的指標(biāo)了。

這是前兩天在我們辦公室進(jìn)行的測(cè)試，左邊的視頻是基于開(kāi)源的ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)進(jìn)行的地圖構(gòu)建，右邊的是基于SLAMWARE構(gòu)建的地圖。

   

當(dāng)機(jī)器人已經(jīng)繞場(chǎng)一周后，ROS構(gòu)建的地圖出現(xiàn)了中斷，而SLAMWARE構(gòu)建的地圖是一個(gè)完美的閉環(huán)，它與我們辦公室的設(shè)計(jì)圖完美重合。

除了算法層面的回環(huán)問(wèn)題，SLAM實(shí)際應(yīng)用中還有很多這種坑，比如走廊問(wèn)題與外界干擾問(wèn)題。

以外界干擾問(wèn)題來(lái)說(shuō)，通常，激光雷達(dá)作為機(jī)器人的眼睛，一般是安裝在底盤(pán)上的，它能看到的視野很有限。當(dāng)受到外界干擾（人類或者寵物等等）后，機(jī)器人很容易丟失定位精度，無(wú)法正常完成后續(xù)的建圖工作。

當(dāng)機(jī)器人安裝SLAMWARE后，機(jī)器人受到干擾，可以完全不受影響，照樣能夠正常工作。

     

目前，SLAM的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)代表多為學(xué)術(shù)界，實(shí)際應(yīng)用有很多Corner Case要處理，需要傳感器、系統(tǒng)參數(shù)、其他輔助設(shè)備的聯(lián)合調(diào)優(yōu)。

一般來(lái)說(shuō)，上述的SLAM過(guò)程對(duì)于運(yùn)算消耗是巨大的，雖然并沒(méi)有達(dá)到像訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)用服務(wù)器集群那種地步，但傳統(tǒng)上需要PC級(jí)別的處理器。

除配備激光雷達(dá)外，還需要機(jī)器人具有IMU（慣性測(cè)量單元）、里程計(jì)來(lái)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。總的來(lái)說(shuō)，SLAM算法本身是一個(gè)對(duì)于外部系統(tǒng)有著多種依賴的算法，這是一個(gè)切實(shí)的工程問(wèn)題。

很多機(jī)器人，比如掃地機(jī)是不可能裝一個(gè)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(duì)SLAM算法做出很好的優(yōu)化。

這也是我們思嵐科技SLAMTEC主要的努力方向，一方面，我們這7年多很好的解決了各類實(shí)際SLAM算法難點(diǎn)，另一方面，我們把SLAM這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)做了很大的優(yōu)化，可以放到一個(gè)硬幣那么大的模塊內(nèi)部，降低尺寸功耗。此外，它還集成了IMU等配套傳感器，力求做到對(duì)于SLAM的使用便捷性。

那么，機(jī)器人利用SLAM技術(shù)得到了有效的空間信息后，它是怎樣實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃的？SLAM和路徑規(guī)劃之間關(guān)系是怎樣的？下一篇文章，雷鋒網(wǎng)將持續(xù)更新，如有興趣可持續(xù)關(guān)注。

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