SLAM与路径规划的关系

機(jī)器人想要實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)，始終離不開定位、建圖與導(dǎo)航問題，而SLAM與路徑規(guī)劃就是其中的關(guān)鍵。SLAM可讓機(jī)器人在未知環(huán)境中實(shí)時(shí)了解自身位置，同步繪制環(huán)境地圖，在機(jī)器人定位與路徑規(guī)劃中扮演了重要角色，可以說，SLAM是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃的前提。

SLAM實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定位與地圖構(gòu)建問題

SLAM一詞最早出現(xiàn)在機(jī)器人領(lǐng)域，意為同步定位與建圖，包含了定位與建圖兩大部分，其中又以定位更為核心，建圖實(shí)際上是在定位的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的過程。

通常SLAM包含了特征提取，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，狀態(tài)估計(jì)以及狀態(tài)更新等多個(gè)部分，不僅可以應(yīng)用于2D運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，同時(shí)還可應(yīng)用于3D運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域。針對(duì)室內(nèi)環(huán)境中運(yùn)行的機(jī)器人來說，當(dāng)機(jī)器人想到達(dá)某地時(shí)，首先需要利用傳感器（如激光雷達(dá)）來感知周圍環(huán)境，比如在機(jī)器人的前方出現(xiàn)一個(gè)障礙物，機(jī)器人想繞開這個(gè)障礙物，就得知道障礙物的大小及離自身的位置，該問題便可通過SLAM來解決。

路徑規(guī)劃可使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)最優(yōu)行走路徑

那機(jī)器人在解決障礙物感知問題后，又該如何實(shí)現(xiàn)自主行走呢？一般來說會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況：一種是離障礙物很遠(yuǎn)走過去，還有一種是離障礙物的安全距離繞過去，在這時(shí)就需要涉及到路徑規(guī)劃了，路徑規(guī)劃可以使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑行走，避免繞路問題。就像下圖中，a的路徑明顯優(yōu)于b的行走路徑。

當(dāng)然，根據(jù)對(duì)環(huán)境信息的掌握程度不同，路徑規(guī)劃又可分為全局路徑規(guī)劃及局部路徑規(guī)劃，其中又以局部路徑規(guī)劃更為關(guān)鍵。

全局路徑規(guī)劃是在已知的環(huán)境中，為機(jī)器人規(guī)劃一條路徑，路徑規(guī)劃的精度取決于環(huán)境獲取的準(zhǔn)確度，全局路徑規(guī)劃可以找到最優(yōu)解，但是需要預(yù)先知道環(huán)境的準(zhǔn)確信息，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化，如出現(xiàn)未知障礙物時(shí)，該方法就無能為力了。它是一種事前規(guī)劃，因此對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算能力要求不高，雖然規(guī)劃結(jié)果是全局的、較優(yōu)的，但是對(duì)環(huán)境模型的錯(cuò)誤及噪聲魯棒性差。

而局部路徑規(guī)劃則環(huán)境信息是完全未知或有部分已知的，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，通過傳感器對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，以獲取障礙物的位置和幾何性質(zhì)等信息，這種規(guī)劃需要搜集環(huán)境數(shù)據(jù)，并且對(duì)該環(huán)境模型的動(dòng)態(tài)更新能夠隨時(shí)進(jìn)行校正，局部規(guī)劃方法將對(duì)環(huán)境的建模與搜索融為一體，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有高速的信息處理能力和計(jì)算能力，對(duì)環(huán)境誤差和噪聲有較高的魯棒性，能對(duì)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和校正，但是由于缺乏全局環(huán)境信息，所以規(guī)劃結(jié)果有可能不是最優(yōu)的，甚至可能找不到正確路徑或完整路徑。

全局路徑規(guī)劃與局部路徑規(guī)劃本質(zhì)上并沒有太大區(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)器人可更好的規(guī)劃從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的行走路徑。

SLAM推動(dòng)了定位及路徑規(guī)劃等技術(shù)的發(fā)展

SLAM技術(shù)的出現(xiàn)推動(dòng)了定位及路徑規(guī)劃等技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而對(duì)機(jī)器人、無人駕駛等熱門領(lǐng)域的自主移動(dòng)產(chǎn)生重大影響。

假設(shè)機(jī)器人沒有應(yīng)用到SLAM技術(shù)，無法定位自身的位置信息，在實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)中將會(huì)出現(xiàn)什么問題呢？結(jié)果可以想象。沒有SLAM的移動(dòng)機(jī)器人，就好比智能手機(jī)離開了WIFI或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，SLAM對(duì)于機(jī)器人自主行走的重要性不言而喻。

隨著移動(dòng)機(jī)器人的不斷發(fā)展，行業(yè)對(duì)SLAM技術(shù)出現(xiàn)了井噴式需求，另一方面，隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算資源的豐富以及算法的進(jìn)步，SLAM技術(shù)本身也進(jìn)入了一個(gè)從算法到產(chǎn)品過渡的階段。

目前，行業(yè)中基于SLAM技術(shù)已相繼出現(xiàn)了一些產(chǎn)品，思嵐科技的SLAMWARE模塊化自主定位導(dǎo)航模塊就是其中之一，它集成了基于激光雷達(dá)的同步定位與建圖(SLAM)及配套的路徑規(guī)劃功能。

相較于開源ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)，SLAMWARE內(nèi)置的SLAM算法構(gòu)建出的地圖更加精確，即使受到外界干擾也可以保持較高的定位精度。同時(shí)，SLAMWARE采用D*算法（即動(dòng)態(tài)啟發(fā)式路徑搜索算法），機(jī)器人不預(yù)先錄入地圖，便可在陌生環(huán)境中行動(dòng)自如，躲避動(dòng)態(tài)障礙物。

受制于激光的特性，在遇到玻璃、純黑物體或其他平面物體時(shí)，激光雷達(dá)無法進(jìn)行識(shí)別，為了讓機(jī)器人能夠“看見”這些原本看不見的東西，SLAMWARE還支持超聲波傳感器，防跌落傳感器、碰撞傳感器和深度攝像頭的數(shù)據(jù)，利用多種傳感器信息融合，實(shí)現(xiàn)更加智能、實(shí)用的自主運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，SLAMWARE可以實(shí)現(xiàn)基于激光特征識(shí)別的回充對(duì)接技術(shù)，也就是說，機(jī)器人在移動(dòng)后，可以認(rèn)得自己的家，不會(huì)迷路。

為了幫助機(jī)器人適應(yīng)多種應(yīng)用環(huán)境，思嵐科技目前已對(duì)SLAM技術(shù)進(jìn)行了全面升級(jí)，其全新的SLAM 3.0系統(tǒng)，可使機(jī)器人在復(fù)雜的大場(chǎng)景下也能輕松完成定位導(dǎo)航任務(wù)，相比傳統(tǒng)SLAM，思嵐科技升級(jí)版的SLAM 3.0采用了圖優(yōu)化的方式進(jìn)行構(gòu)圖，能實(shí)現(xiàn)百萬平米級(jí)別的構(gòu)圖能力，同時(shí)還擁有了主動(dòng)式回環(huán)閉合糾正能力，能很好的消除因長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致的里程累積誤差，成為目前業(yè)內(nèi)最受歡迎的定位導(dǎo)航方式。