SLAM和激光雷达服务机器人的核心技术

基于激光雷达的高性能服务机器人自主定位导航2高性能机器人定位导航系统(SLAM)低成本激光雷达上海思岚科技有限公司3服务机器人元年2004之前桌面PC2004笔记本2008智能手机、平板2012至今可穿戴设备与物联网如今服务机器人45与现实世界的交互能力人机交互自主定位导航环境交互WhereamI?7自主定位导航自动送餐商场智能导购自动返回充电智能安防巡逻病房巡视/老人看护高效的室内除尘清扫8采用自主导航定位的清扫轨迹传统机器人清扫轨迹随机碰撞，无法保证覆盖率91011绘制地图实时定位路径规划在未知环境中无需人工干预12传感器+算法13初级方案：航迹推算(DeadReckon)14里程计(编码器)惯性传感器(陀螺仪/加速计)相对位移相对旋转关系1516𝜃𝑙差分驱动模式的计算𝑏𝜃=𝑙=∆𝑟𝑖𝑔ℎ𝑡−∆𝑙𝑒𝑓𝑡𝑏∆𝑙𝑒𝑓𝑡+∆𝑟𝑖𝑔ℎ𝑡21718(𝑥,𝑦,𝜃)192021初级方案：直接引导22巡线23信标引导GPS/UWB/iBeacon/WIFI/RFID24•误差随时间累计增大•对环境改造大25SLAMSimultaneouslocalizationandmapping同步定位和建图FusedResult26DeadReckonFastresponseHighResolutionUnboundedErrorInaccurateDirectMeasuringSlowResponseLowResolutionBoundedErrorAccurate+KFEKFIKFUKFPF…SLAM27•同步完成定位和地图构建•杜绝定位累计误差•无需环境中设置固定传感器2829早期：基于超声波30313233研究中：计算机视觉(vSLAM)343536现今最为成熟的方案激光雷达+SLAM导航定位算法3738激光雷达LIDAR3940414243设计图SLAM产生的高精度地图44激光+SLAM典型定位精度0.01-0.1m是否自主绘制地图是障碍物躲避支持工作环境依赖无特殊依赖长时间稳定性无累积误差WIFI/蓝牙信标定位0.5-5m无法获得需配和额外传感器需要额外信标无累积误差视觉定位0.1-2m无法获得需配和额外传感器需要合理环境光存在累积误差45难度与挑战成本制约算法难点运算耗时与结构复杂46$成本制约47￥700,000！48v.s.￥传统工业激光雷达产品￥服务机器人期望售价RPLIDAR适合消费级领域的激光雷达6米测量范围，2000hz采样率2009-201350RPLIDARA2一体化、高性能、高度集成最轻薄的激光雷达(4cm厚度)51v.s.￥传统工业激光雷达产品￥RPLIDAR*在批量情况下𝑞=𝑓𝑠𝑥三角测距法硬件成本性能软件复杂度高低高接近＊低高103907701150153019102290267030503430381041904570495053305710550.20%0.18%0.16%0.14%0.12%0.10%0.08%0.06%0.04%0.02%0.00%121086420ResoultionPrecent5657普通摄像头普通激光测距仪理想的采样速度现有三角测距原理雷达实用化最低要求相位测距5859?算法难点60Sensing噪声和误差Modeling非精确描述Planning与现实不匹配可能61匹配与纠偏62粒子滤波63回环闭合问题(LoopClosure)646566绑架问题(KidnappedProblem)6768运动规划697071路径规划障碍物规避72A*pathfindingVFH–Obstacleavoidance7374A*D*v.s.757677CoverageProblem787980充电对接8182开发难度大、耗时83𝑥0𝑥1…𝑥𝑛(𝑃𝑊𝑀𝑥,𝑃𝑊𝑀𝑦)(𝑝𝑋,𝑝𝑌)𝑪𝒆𝒏𝒄𝒐𝒅𝒆𝒓(𝑟𝑜𝑙𝑙,𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ,𝑦𝑎𝑤)(𝑋′,𝑌′,𝜃′)(𝑑𝑋,𝑑𝑌,𝑑𝜃)𝐶0𝐶1…𝐶𝑛(𝑋,𝑌,𝜃)𝑬8586•需要PC主机性能运行•与外部设备高度耦合SLAMWARECore高度集成的模块化导航定位核心2014HSBUSCTRLBUS88SLAM引擎D*引擎运动控制9DOF惯导RPLIDAR驱动高速通讯总线用户机器人底盘RPLIDAR接口5V电源定位坐标，姿态(𝑋,𝑌,𝜃)环境地图协方差运动控制总线模块输出89业务应用平台(x86/ARM)HSBus(100MbpsEthernet)WIFILCDMICCameraMotorPowerLIDARInterface(UART+PWM)CTRLBus(UART)CtrlMCU(STM32)LEDButtonsHBridgeEncoderSensorsPowerMgmtBatteryMotionSDKCtrlLogic人机接口层用户业务层控制层机器人底盘9091929310000m2超大室内环境地图构建949596