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

现在是1页\一共有96页\编辑于星期一2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现在是2页\一共有96页\编辑于星期一3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

如今服务机器人现在是3页\一共有96页\编辑于星期一4现在是4页\一共有96页\编辑于星期一5与现实世界的交互能力人机交互自主定位导航环境交互现在是5页\一共有96页\编辑于星期一Where

am

I?现在是6页\一共有96页\编辑于星期一7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现在是7页\一共有96页\编辑于星期一8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，无法保证覆盖率现在是8页\一共有96页\编辑于星期一9现在是9页\一共有96页\编辑于星期一10现在是10页\一共有96页\编辑于星期一11绘制地图实时定位路径规划在未知环境中无需人工干预现在是11页\一共有96页\编辑于星期一12传感器+算法现在是12页\一共有96页\编辑于星期一13初级方案：航迹推算

(DeadReckon)现在是13页\一共有96页\编辑于星期一14

里程计

(编码器)

惯性传感器(陀螺仪/加速计)相对位移

相对旋转关系现在是14页\一共有96页\编辑于星期一15现在是15页\一共有96页\编辑于星期一16𝜃𝑙差分驱动模式的计算𝑏𝜃

=𝑙

=

∆𝑟𝑖𝑔ℎ𝑡

−

∆𝑙𝑒𝑓𝑡

𝑏∆𝑙𝑒𝑓𝑡

+

∆𝑟𝑖𝑔ℎ𝑡

2现在是16页\一共有96页\编辑于星期一17现在是17页\一共有96页\编辑于星期一18(𝑥,𝑦,𝜃)现在是18页\一共有96页\编辑于星期一19现在是19页\一共有96页\编辑于星期一20现在是20页\一共有96页\编辑于星期一21初级方案：直接引导现在是21页\一共有96页\编辑于星期一22巡线现在是22页\一共有96页\编辑于星期一23

信标引导GPS/UWB/iBeacon/WIFI/RFID现在是23页\一共有96页\编辑于星期一24•

误差随时间累计增大•

对环境改造大现在是24页\一共有96页\编辑于星期一25

SLAMSimultaneous

localization

and

mapping

同步定位和建图现在是25页\一共有96页\编辑于星期一Fused

Result26Dead

Reckon

Fast

response

HighResolution

Unbounded

Error

InaccurateDirect

Measuring

Slow

Response

Low

Resolution

Bounded

Error

Accurate

+

KF

EKF

IKF

UKF

PF

…SLAM现在是26页\一共有96页\编辑于星期一27•

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现在是27页\一共有96页\编辑于星期一28现在是28页\一共有96页\编辑于星期一29早期：基于超声波现在是29页\一共有96页\编辑于星期一30现在是30页\一共有96页\编辑于星期一31现在是31页\一共有96页\编辑于星期一32现在是32页\一共有96页\编辑于星期一33研究中：计算机视觉(vSLAM)现在是33页\一共有96页\编辑于星期一34现在是34页\一共有96页\编辑于星期一35现在是35页\一共有96页\编辑于星期一36

现今最为成熟的方案激光雷达

+

SLAM导航定位算法现在是36页\一共有96页\编辑于星期一37现在是37页\一共有96页\编辑于星期一38激光雷达

LIDAR现在是38页\一共有96页\编辑于星期一39现在是39页\一共有96页\编辑于星期一40现在是40页\一共有96页\编辑于星期一41现在是41页\一共有96页\编辑于星期一42现在是42页\一共有96页\编辑于星期一43设计图SLAM产生的高精度地图现在是43页\一共有96页\编辑于星期一44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

存在累积误差现在是44页\一共有96页\编辑于星期一45难度与挑战成本制约算法难点运算耗时与结构复杂现在是45页\一共有96页\编辑于星期一46

$成本制约现在是46页\一共有96页\编辑于星期一47￥700,000

！现在是47页\一共有96页\编辑于星期一48v.s.

￥传统工业激光雷达产品

￥服务机器人期望售价现在是48页\一共有96页\编辑于星期一RPLIDAR适合消费级领域的激光雷达6米测量范围，2000hz采样率2009

-

2013现在是49页\一共有96页\编辑于星期一50RPLIDAR

A2一体化、高性能、高度集成最轻薄的激光雷达(4cm厚度)现在是50页\一共有96页\编辑于星期一51v.s.

￥传统工业激光雷达产品

￥

RPLIDAR*在批量情况下现在是51页\一共有96页\编辑于星期一𝑞

=𝑓𝑠

𝑥现在是52页\一共有96页\编辑于星期一三角测距法硬件成本性能软件复杂度高低高接近＊低高现在是53页\一共有96页\编辑于星期一现在是54页\一共有96页\编辑于星期一103907701150153019102290267030503430381041904570495053305710550.20%0.18%0.16%0.14%0.12%0.10%0.08%0.06%0.04%0.02%0.00%1210

8

6

4

2

0ResoultionPrecent现在是55页\一共有96页\编辑于星期一56现在是56页\一共有96页\编辑于星期一57

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现在是57页\一共有96页\编辑于星期一58现在是58页\一共有96页\编辑于星期一59

?算法难点现在是59页\一共有96页\编辑于星期一60

Sensing噪声和误差

Modeling非精确描述

Planning与现实不匹配可能现在是60页\一共有96页\编辑于星期一61匹配与纠偏现在是61页\一共有96页\编辑于星期一62现在是62页\一共有96页\编辑于星期一粒子滤波63现在是63页\一共有96页\编辑于星期一回环闭合问题

(Loop

Closure)64现在是64页\一共有96页\编辑于星期一65现在是65页\一共有96页\编辑于星期一66现在是66页\一共有96页\编辑于星期一绑架问题(Kidnapped

Problem)67现在是67页\一共有96页\编辑于星期一68运动规划现在是68页\一共有96页\编辑于星期一69现在是69页\一共有96页\编辑于星期一70现在是70页\一共有96页\编辑于星期一71路径规划障碍物规避现在是71页\一共有96页\编辑于星期一72A*

path

finding现在是72页\一共有96页\编辑于星期一VFH

–

Obstacle

avoidance73现在是73页\一共有96页\编辑于星期一74A*D*v.s.现在是74页\一共有96页\编辑于星期一75现在是75页\一共有96页\编辑于星期一76现在是76页\一共有96页\编辑于星期一77现在是77页\一共有96页\编辑于星期一Coverage

Problem78现在是78页\一共有96页\编辑于星期一79现在是79页\一共有96页\编辑于星期一80现在是80页\一共有96页\编辑于星期一充电对接81现在是81页\一共有96页\编辑于星期一82

开发难度大、耗时现在是82页\一共有96页\编辑于星期一83𝑥0𝑥1…𝑥𝑛(𝑃𝑊𝑀𝑥,𝑃𝑊𝑀𝑦)

(𝑝𝑋,𝑝𝑌)

𝑪𝒆𝒏𝒄𝒐𝒅𝒆𝒓(𝑟𝑜𝑙𝑙,𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ,𝑦𝑎𝑤)(𝑋′,𝑌′,𝜃′)(𝑑𝑋,𝑑𝑌,𝑑𝜃)𝐶0𝐶1…𝐶𝑛(𝑋,𝑌,𝜃)

𝑬现在是83页\一共有96页\编辑于星期一现在是84页\一共有96页\编辑于星期一85现在是85页\一共有96页\编辑于星期一86•

需要PC主机性能运行•

与外部设备高度耦合现在是86页\一共有96页\编辑于星期一SLAMWARECore高度集成的模块化导航定位核心2014现在是87页\一共有96页\编辑于星期一HS

BUSCTRL

BUS88SLAM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现在是88页\一共有96页\编辑于星期一89业务应用平台(x86/ARM)HS

Bus(100Mbps

Ethernet)WIFILCDMICCameraMotor

PowerLIDAR

Interface(UART+PWM)CTRL

Bus(UART)Ctrl

MCU

(STM32)LEDButtonsHBridgeEncoderSensorsPower

MgmtBatteryMotionSDKC