机器人SLAM与自主导航(一)——理论基础
目录
总述
1、激光雷达
2、摄像头
3、RGB-D摄像头
总述
SLAM可以描述为:机器人在未知的环境中从一个未知位置开始移动,移动过程中根据位置估计和地图进行自身定位,同时建造增量式地图,实现机器人的自主定位和导航。
想象一个盲人在一个未知的环境里,如果想感知周围的大概情况,那么他需要伸展双手作为他的“传感器”,不断探索四周是否有障碍物。当然这个“传感器”有量程范围,他还需要不断移动,同时在心中整合已知感知到的信息。当感觉新探索的环境好像是之前遇到过的某个位置,他就会校正心中整合好的地图,同时也会校正自己当前所处的位置。当然,作为一个盲人,感知能力有限,所以他探索的环境信息会存在误差,而且他会根据自己的确定程度为探索到的障碍物设置一个概率值,概率值越大,表示这里有障碍物的可能性越大。一个盲人探索未知环境的场景基本可以表示SLAM算法的主要过程。

家庭、商场、车站等场所是室内机器人的主要应用场景,在这些应用中,用户需要机器人通过移动完成某些任务,这就需要机器人具备自主移动、自主定位的功能,这类应用统称为自主导航。自主导航与SLAM密不可分,原因就在于SLAM生成的地图是机器人自主移动的主要蓝图。总结为:在服务机器人工作空间中,根据机器人自身的定位导航系统找到一个从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的最优路径。
要完成机器人的SLAM和自主导航,机器人首先要有感知周围环境的能力,尤其要有感知周围环境深度信息的能力,因为这是探测障碍物的关键数据。用于获取深度信息的传感器主要有以下几种类型。

1、激光雷达
激光雷达是研究最多、使用最成熟的深度传感器,可以提供机器人本体与环境障碍物之间的距离信息。激光雷达的优点是精度高,响应快,数据量小,可以完成实时SLAM任务;缺点是成本高,一款进口高精度的激光雷达价格在一万元以上。
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2、摄像头
SLAM所用到的摄像头又可以分为两种:一种是单目摄像头,也就是使用一个摄像头完成SLAM。这种方案的传感器简单,适用性强,但是实现的复杂度较高,而且单目摄像头在静态状态下无法测量距离,只有在运动状态下才能根据三角测量等原理感知距离。另一种就是双目摄像头,相比单目摄像头,这种方案无论是在运动状态下还是在静止状态下,都可以感知距离信息,但是两个摄像头的标定较为复杂,大量的图像数据也会导致运算量较大。
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3、RGB-D摄像头
RGB-D摄像头是近年来兴起的一种新型传感器,不仅可以像摄像头一样获取环境的RGB图像信息,也可以通过红外结构光、Time-of-Flight等原理获取每个像素的深度信息。丰富的数据让RGB-D摄像头不仅可用于SLAM,还可用于图像处理、物体识别等多种应用;最重要的一点是,RGB-D摄像头成本较低,他也是目前室内服务机器人的主流传感器方案。常见的RGB-D摄像头有Kinect v1/v2、华硕Xtion Pro等。当然,RGB-D摄像头也存在诸如测量视野窄、盲区大、噪声大等缺点。
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