扫地机器人路径规划算法解读

 隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)于智能家居的需求日益旺盛，掃地機(jī)器人就是其中之一，據(jù)前瞻網(wǎng)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2018年掃地機(jī)市場(chǎng)增長(zhǎng)預(yù)計(jì)達(dá)到120億元，隨著掃地機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)掃地機(jī)器人將會(huì)有更廣闊的市場(chǎng)空間。

在掃地機(jī)器人中，路徑規(guī)劃是其最核心的技術(shù)，所謂路徑規(guī)劃是指機(jī)器人根據(jù)自身傳感器對(duì)環(huán)境進(jìn)行認(rèn)知，來(lái)確定周圍環(huán)境和自身位置信息，進(jìn)而規(guī)劃出一條最優(yōu)運(yùn)行路線。同時(shí)又能高效完成清掃任務(wù)。

通常，移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃需要解決這三大問(wèn)題：

1.機(jī)器人從初始位置到目標(biāo)位置的運(yùn)動(dòng)；

2.通過(guò)相關(guān)算法使機(jī)器人能夠繞開(kāi)障礙物，并且經(jīng)過(guò)某些必須經(jīng)過(guò)的地方完成對(duì)應(yīng)的工作任務(wù)；

3.在完成以上任務(wù)的前提下，能做到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的優(yōu)化。

說(shuō)到掃地機(jī)器人路徑規(guī)劃，就不得不提到SLAM技術(shù)了，當(dāng)然，SLAM技術(shù)與路徑規(guī)劃是兩個(gè)層面的東西，SLAM更像是一種被動(dòng)技能，默默為機(jī)器人提供地圖和定位信息，但當(dāng)機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)，便需要路徑規(guī)劃和SLAM的相互合作，如果沒(méi)有SLAM為路徑規(guī)劃提供高質(zhì)量的定位信息，路徑規(guī)劃就難以實(shí)現(xiàn)自身的工作。

機(jī)器人要做到路徑規(guī)劃，除了要解決SLAM本身的難點(diǎn)外，路徑規(guī)劃也是有很多問(wèn)題需要解決的，先不說(shuō)掃地機(jī)器人，對(duì)于通用機(jī)器人來(lái)說(shuō)，要做的第一個(gè)路徑規(guī)劃便是尋路的算法，也可以理解為從A點(diǎn)到B點(diǎn)的移動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，又會(huì)涉及到全局路徑規(guī)劃及局部路徑規(guī)劃。

什么是全局路徑規(guī)劃呢？可以理解為，在一張靜態(tài)的地圖上，機(jī)器人僅僅根據(jù)地圖測(cè)算出當(dāng)前點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的一個(gè)距離。這種方式有很多種算法，目前聽(tīng)到最多的就是Astar算法，這種也同時(shí)運(yùn)用在即時(shí)戰(zhàn)略游戲里進(jìn)行單位尋路時(shí)使用。

除了全局路徑規(guī)劃還有局部路徑規(guī)劃的問(wèn)題，由于在全局路徑規(guī)劃中機(jī)器人已經(jīng)規(guī)劃出了大致的行走路徑，但在實(shí)際的移動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多突發(fā)情況，如在機(jī)器人移動(dòng)時(shí)突然一個(gè)人走過(guò)來(lái)，擋住了機(jī)器人已規(guī)劃好的行走道路，在這種情況下，機(jī)器人如何能在不修改之前規(guī)劃好的路徑前提下去繞開(kāi)這個(gè)人呢？對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)行走的大方向是對(duì)的，但在有障礙物出現(xiàn)的情況下需要臨時(shí)改道，這樣的過(guò)程便叫做局部路徑規(guī)劃。目前針對(duì)該問(wèn)題的應(yīng)對(duì)算法傳統(tǒng)上有EFF、目前又動(dòng)態(tài)穿透法的算法來(lái)進(jìn)行。

解決從A點(diǎn)到B點(diǎn)的移動(dòng)就是實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃的第一個(gè)問(wèn)題。這也是目前掃地機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃的第一個(gè)環(huán)節(jié)。但相比其他服務(wù)機(jī)器人，掃地機(jī)器人的問(wèn)題會(huì)更加復(fù)雜一點(diǎn)，因?yàn)閽叩貦C(jī)器人在工作中還會(huì)涉及到貼邊清掃及來(lái)回清掃等任務(wù)，這就需要有更多的算法體系來(lái)支撐。

再回到SLAM技術(shù)上，目前在SLAM技術(shù)中，會(huì)涉及到激光SLAM及視覺(jué)SLAM兩種，激光SLAM是通過(guò)旋轉(zhuǎn)激光發(fā)射器不斷發(fā)射激光，并通過(guò)內(nèi)置的紅外攝像頭拍攝反射光并成像，利用幾何測(cè)距原理測(cè)量物體和機(jī)器本身的相對(duì)位置，據(jù)此繪制完整邊界的地圖和確定機(jī)器在地圖中的位置。而視覺(jué)SLAM是通過(guò)內(nèi)置的 RGB 攝像頭不斷移動(dòng)自身的位置進(jìn)行拍攝，提取和匹配相鄰幀圖片特征點(diǎn)、利用測(cè)距原理測(cè)算出障礙物的距離。

相較于視覺(jué)SLAM，激光雷達(dá)就一直作為掃地機(jī)器人的原配久居正統(tǒng)之位，激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于精度高，可以精確繪制房間地圖和行走路線，工作穩(wěn)定，不依賴于環(huán)境光線。

思嵐科技是國(guó)內(nèi)最早將激光SLAM應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人的企業(yè)，在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主定位、建圖及路徑規(guī)劃等方面已有成熟的落地方案。嵐豹掃地機(jī)器人就是基于思嵐科技的激光SLAM導(dǎo)航技術(shù)而研發(fā)的，可以做到：

分秒建圖：開(kāi)啟清掃后，只需幾個(gè)轉(zhuǎn)圈的時(shí)間，激光雷達(dá)就會(huì)掃描出家中地圖，在清掃過(guò)程中能毫厘不差的刻畫家庭環(huán)境構(gòu)造和家具分布。

邊掃邊建立完整地圖：清掃時(shí)掃地機(jī)會(huì)先沿邊清掃出一片區(qū)域，在分區(qū)內(nèi)以弓字形的路徑走出工整的路線，邊掃邊建圖，通過(guò)一個(gè)個(gè)分區(qū)的形式將家里每個(gè)地方都清掃覆蓋到，最終形成家中的完整地圖。

地圖規(guī)劃清晰且覆蓋率高：當(dāng)掃地機(jī)掃完家后，家里的地圖就能完整的呈現(xiàn)，與戶型圖的貼合度能達(dá)到99%以上，可以清晰的看出對(duì)家里的清掃規(guī)劃，覆蓋到了家中的每一個(gè)角落，沒(méi)有產(chǎn)生漏掃。重要的是，地圖一次生成就能保存，再次清掃時(shí)無(wú)需重新建立地圖，當(dāng)家具布置發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)云端地圖功能，會(huì)實(shí)時(shí)更新和優(yōu)化。

自主行走毫不費(fèi)力：家中的餐桌底下桌腳多，地形復(fù)雜，最是考驗(yàn)掃地機(jī)的行走能力。而擁有激光導(dǎo)航的掃地機(jī)能繞著每個(gè)桌角清掃一圈，直至將餐桌底下探索完整，進(jìn)了餐桌底下出不來(lái)，是不存在的。

除了掃地機(jī)器人，國(guó)內(nèi)思嵐科技推出的激光SLAM導(dǎo)航技術(shù)，還廣泛應(yīng)用于送餐機(jī)器人、導(dǎo)引導(dǎo)購(gòu)機(jī)器人、迎賓機(jī)器人等各大領(lǐng)域的服務(wù)場(chǎng)所，甚至在海外的科研機(jī)構(gòu)以及IEEE論文中也有思嵐產(chǎn)品的身影。