摘 要 在太空探索宇航領(lǐng)域、工業(yè)自動化領(lǐng)域、以及軍事服務(wù)等領(lǐng)域移動機器人系統(tǒng)技術(shù)有著廣泛的發(fā)展前景。SLAM技術(shù)的是simultaneous localization and mapping的縮寫，即時定位與地圖構(gòu)建。也可以叫做Concurrent Mapping and Localization并發(fā)建圖與定位，縮寫為CML。本文以移動機器人在未知環(huán)境下的SLAM技術(shù)問題為主要研究對象，探析了SLAM技術(shù)在移動機器人上的應(yīng)用?？偨Y(jié)了SLAM技術(shù)問題以及相關(guān)的研究現(xiàn)狀，分析了SLAM技術(shù)存在的優(yōu)缺點，闡述現(xiàn)有SLAM技術(shù)解決方法在移動機器人領(lǐng)域的發(fā)展趨勢及展望。

【關(guān)鍵詞】移動機器人 同時定位與地圖創(chuàng)建 發(fā)建圖與定位 SLAM技術(shù)

1 相關(guān)概念及研究意義

移動機器人的并發(fā)建圖與定位操作技術(shù)是當(dāng)前自主導(dǎo)航技術(shù)研究領(lǐng)域中的基礎(chǔ)問題之一，也是移動機器人實現(xiàn)智能化的前提條件，即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)并成為機器人領(lǐng)域的研究熱點。移動機器人從空間層面上分，可以分為陸地操作移動機器人、水下操作移動機器人、空中操作移動機器人三大層次領(lǐng)域。

SLAM技術(shù)是指設(shè)備在移動的過程中可以實現(xiàn)同時定位與地圖建模的操作功能。SLAM技術(shù)可以描述為移動機器人放在一個未知的特定環(huán)境區(qū)域中，由一個隨機的未知的位置，也就是起始點開始自由移動。機器人在移動過程中可以通過位置信息進行估算，然后在地圖中進行數(shù)據(jù)信息匹配實現(xiàn)自身定位功能操作。同時，在自身定位的基礎(chǔ)上實時的對地圖進行增量式的地圖信息更新操作。從而實現(xiàn)移動機器人在未知環(huán)境中能自主定位和導(dǎo)航操作。在這個自主定位和導(dǎo)航移動的操作過程中，機器人沒有受到外部環(huán)境先驗知識的協(xié)同幫助，而移動機器人系統(tǒng)中所使用的地圖模型和自身的定位功能都依賴于該機器人自身所賦予的算法和外部的傳感器來實現(xiàn)。SLAM技術(shù)主要的研究意義就是指在于實現(xiàn)機器人的自主定位和導(dǎo)航的操作功能。

2 SLAM技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 在陸地移動機器人領(lǐng)域即室內(nèi)機器人技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

室內(nèi)機器人領(lǐng)域是最早使用到SLAM時定位與地圖構(gòu)建相關(guān)的技術(shù)。而掃地移動機器人要算是眾多移動機器人里最早用到SLAM技術(shù)一批了。比如在國內(nèi)已經(jīng)有以下幾家企業(yè)已經(jīng)把SLAM時定位與地圖構(gòu)建相關(guān)的技術(shù)使用到了相關(guān)的產(chǎn)品中了。例如塔米、科沃斯等掃地移動機器人通過使用用SLAM算法的基礎(chǔ)上結(jié)合激光雷達或者攝像頭的方法，讓掃地移動機氣人可以實現(xiàn)高效繪制室內(nèi)地圖，然后進行對數(shù)據(jù)處理，智能分析數(shù)據(jù)和規(guī)劃掃地環(huán)境中的移動軌跡，從而實現(xiàn)移動掃地機器人的智能導(dǎo)航操作功能。SLAM技術(shù)的出現(xiàn)，引領(lǐng)了陸地移動機器人領(lǐng)域即室內(nèi)機器人技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展。

2.2 在空中移動機器人領(lǐng)域即無人機技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

在國內(nèi)，大家熟知的大疆無人機在相關(guān)技術(shù)上也用到了SLAM即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)。而大疆精靈四這款無人機的避障用的雙目視覺和超聲波技術(shù)中就應(yīng)用了SLAM即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)。一位大疆企業(yè)內(nèi)的工程師在百度百家的撰文里坦率承認(rèn)“P4里面呈現(xiàn)的主動避障功能就是一種非常非常典型的SLAM即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)的弱應(yīng)用，無人機只需要知道障礙物在哪，就可以進行自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖信息更新，從而實現(xiàn)機器人的自主定位和導(dǎo)航操作功能。并且可以實現(xiàn)自主性繞開障礙物。當(dāng)然Slam能做的事情遠遠不止這些，包括災(zāi)區(qū)救援，包括探洞，包括人機配合甚至集群，所有的關(guān)于無人機的夢想都建立在Slam之上，這是無人機能飛（具有定位，姿態(tài)確定以后）的時代以后，無人機最核心的技術(shù)。”

在國外，hover camera無人機，因為其創(chuàng)始人的的計算機視覺背景，正式把SLAM技術(shù)應(yīng)用進來了。在介紹他們無人機的主要產(chǎn)品技術(shù)時，提到了SLAM即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)，通過感知自身周圍環(huán)境來構(gòu)建3D增量式地圖數(shù)據(jù)和信息，從而實現(xiàn)自主定位和導(dǎo)航功能操作。在美國一定范圍內(nèi)對SLAM即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)引起了很大的影響，也促進了人們對SLAM即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)的認(rèn)知。

2.3 在陸地移動機器人領(lǐng)域即無人駕駛技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

因為Google無人駕駛車的科普效應(yīng)，很多人都知道了基于激光雷達技術(shù)的Lidar Slam。Lidar Slam是指利用激光雷達作為外部傳感器，獲取地圖數(shù)據(jù)，使機器人實現(xiàn)同步定位與地圖構(gòu)建。雖然成本高昂，但目前為止是該技術(shù)領(lǐng)域中穩(wěn)定性最好、可靠性更穩(wěn)定、綜合性能最好的SLAM方式。另外，2011 年，牛津大學(xué)Mobile Robotics Group 首次向公眾展示他們的第一輛無人駕駛汽車野貓Wildcat，這是一輛由 Bowler Wildcat 4X4 改裝而成的車。汽車頭頂?shù)南鄼C和激光能夠搜集信息然后即時分析導(dǎo)航，已經(jīng)成功通過了測試。2014 年，他們改裝的一輛 Nissan 的 Leaf 也成功路測。Mobile Robotics Group主要研究領(lǐng)域是大規(guī)模的導(dǎo)航和對自然場景理解。據(jù)稱，團隊所擁有的技術(shù)也是非常穩(wěn)定，其復(fù)雜和先進性遠遠超過一般的同步定位與地圖構(gòu)建SLAM算法?？扇牲c的是，對于無人駕駛技術(shù)，他們并沒有使用 GPS 或者是嵌入式的基礎(chǔ)設(shè)施信標(biāo)之類，而是使用算法來導(dǎo)航，包括機器學(xué)習(xí)和概率推理來建立周圍的地圖等。

3 總結(jié)展望

本文以移動機器人在未知環(huán)境下的SLAM技術(shù)問題為主要研究對象，探析了SLAM技術(shù)在移動機器人上的應(yīng)用?？偨Y(jié)了SLAM技術(shù)問題以及在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用為研究對象探析了并發(fā)建圖與定位的技術(shù)現(xiàn)狀，分析了SLAM技術(shù)存在的優(yōu)缺點。隨著SLAM技術(shù)的不斷發(fā)展，無人駕駛及操作控制技術(shù)會更加完善。而相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)品也會在并發(fā)建圖與定位技術(shù)不斷完善的基礎(chǔ)上不斷得到發(fā)展和生產(chǎn)使用。移動機器人實際的工作環(huán)境基本以動態(tài)為主，并且路標(biāo)的數(shù)目也會因環(huán)境不同或者視野受限而受到制約，這就需要有更加完善的SLAM同步自定位與地圖創(chuàng)建技術(shù)來支撐。

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作者簡介

孫博雅（1992-），女，吉林省長春市人。碩士研究生學(xué)歷。主要研究方向為機器人測控技術(shù)。

作者單位

長春理工大學(xué) 吉林省長春市 130022