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

目前一页\总数九十六页\编于十六点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目前二页\总数九十六页\编于十六点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

如今服务机器人目前三页\总数九十六页\编于十六点4目前四页\总数九十六页\编于十六点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目前五页\总数九十六页\编于十六点Where

am

I?目前六页\总数九十六页\编于十六点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目前七页\总数九十六页\编于十六点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，无法保证覆盖率目前八页\总数九十六页\编于十六点9目前九页\总数九十六页\编于十六点10目前十页\总数九十六页\编于十六点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目前十一页\总数九十六页\编于十六点12传感器+算法目前十二页\总数九十六页\编于十六点13初级方案：航迹推算

(DeadReckon)目前十三页\总数九十六页\编于十六点14

里程计

(编码器)

惯性传感器(陀螺仪/加速计)相对位移

相对旋转关系目前十四页\总数九十六页\编于十六点15目前十五页\总数九十六页\编于十六点16𝜃𝑙差分驱动模式的计算𝑏𝜃

=𝑙

=

∆𝑟𝑖𝑔ℎ𝑡

−

∆𝑙𝑒𝑓𝑡

𝑏∆𝑙𝑒𝑓𝑡

+

∆𝑟𝑖𝑔ℎ𝑡

2目前十六页\总数九十六页\编于十六点17目前十七页\总数九十六页\编于十六点18(𝑥,𝑦,𝜃)目前十八页\总数九十六页\编于十六点19目前十九页\总数九十六页\编于十六点20目前二十页\总数九十六页\编于十六点21初级方案：直接引导目前二十一页\总数九十六页\编于十六点22巡线目前二十二页\总数九十六页\编于十六点23

信标引导GPS/UWB/iBeacon/WIFI/RFID目前二十三页\总数九十六页\编于十六点24•

误差随时间累计增大•

对环境改造大目前二十四页\总数九十六页\编于十六点25

SLAMSimultaneous

localization

and

mapping

同步定位和建图目前二十五页\总数九十六页\编于十六点Fused

Result26Dead

Reckon

Fast

response

HighResolution

Unbounded

Error

InaccurateDirect

Measuring

Slow

Response

Low

Resolution

Bounded

Error

Accurate

+

KF

EKF

IKF

UKF

PF

…SLAM目前二十六页\总数九十六页\编于十六点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目前二十七页\总数九十六页\编于十六点28目前二十八页\总数九十六页\编于十六点29早期：基于超声波目前二十九页\总数九十六页\编于十六点30目前三十页\总数九十六页\编于十六点31目前三十一页\总数九十六页\编于十六点32目前三十二页\总数九十六页\编于十六点33研究中：计算机视觉(vSLAM)目前三十三页\总数九十六页\编于十六点34目前三十四页\总数九十六页\编于十六点35目前三十五页\总数九十六页\编于十六点36

现今最为成熟的方案激光雷达

+

SLAM导航定位算法目前三十六页\总数九十六页\编于十六点37目前三十七页\总数九十六页\编于十六点38激光雷达

LIDAR目前三十八页\总数九十六页\编于十六点39目前三十九页\总数九十六页\编于十六点40目前四十页\总数九十六页\编于十六点41目前四十一页\总数九十六页\编于十六点42目前四十二页\总数九十六页\编于十六点43设计图SLAM产生的高精度地图目前四十三页\总数九十六页\编于十六点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

存在累积误差目前四十四页\总数九十六页\编于十六点45难度与挑战成本制约算法难点运算耗时与结构复杂目前四十五页\总数九十六页\编于十六点46

$成本制约目前四十六页\总数九十六页\编于十六点47￥700,000

！目前四十七页\总数九十六页\编于十六点48v.s.

￥传统工业激光雷达产品

￥服务机器人期望售价目前四十八页\总数九十六页\编于十六点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目前四十九页\总数九十六页\编于十六点50RPLIDAR

A2一体化、高性能、高度集成最轻薄的激光雷达(4cm厚度)目前五十页\总数九十六页\编于十六点51v.s.

￥传统工业激光雷达产品

￥

RPLIDAR*在批量情况下目前五十一页\总数九十六页\编于十六点𝑞

=𝑓𝑠

𝑥目前五十二页\总数九十六页\编于十六点三角测距法硬件成本性能软件复杂度高低高接近＊低高目前五十三页\总数九十六页\编于十六点目前五十四页\总数九十六页\编于十六点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目前五十五页\总数九十六页\编于十六点56目前五十六页\总数九十六页\编于十六点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目前五十七页\总数九十六页\编于十六点58目前五十八页\总数九十六页\编于十六点59

?算法难点目前五十九页\总数九十六页\编于十六点60

Sensing噪声和误差

Modeling非精确描述

Planning与现实不匹配可能目前六十页\总数九十六页\编于十六点61匹配与纠偏目前六十一页\总数九十六页\编于十六点62目前六十二页\总数九十六页\编于十六点粒子滤波63目前六十三页\总数九十六页\编于十六点回环闭合问题

(Loop

Closure)64目前六十四页\总数九十六页\编于十六点65目前六十五页\总数九十六页\编于十六点66目前六十六页\总数九十六页\编于十六点绑架问题(Kidnapped

Problem)67目前六十七页\总数九十六页\编于十六点68运动规划目前六十八页\总数九十六页\编于十六点69目前六十九页\总数九十六页\编于十六点70目前七十页\总数九十六页\编于十六点71路径规划障碍物规避目前七十一页\总数九十六页\编于十六点72A*

path

finding目前七十二页\总数九十六页\编于十六点VFH

–

Obstacle

avoidance73目前七十三页\总数九十六页\编于十六点74A*D*v.s.目前七十四页\总数九十六页\编于十六点75目前七十五页\总数九十六页\编于十六点76目前七十六页\总数九十六页\编于十六点77目前七十七页\总数九十六页\编于十六点Coverage

Problem78目前七十八页\总数九十六页\编于十六点79目前七十九页\总数九十六页\编于十六点80目前八十页\总数九十六页\编于十六点充电对接81目前八十一页\总数九十六页\编于十六点82

开发难度大、耗时目前八十二页\总数九十六页\编于十六点83𝑥0𝑥1…𝑥𝑛(𝑃𝑊𝑀𝑥,𝑃𝑊𝑀𝑦)

(𝑝𝑋,𝑝𝑌)

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

𝑬目前八十三页\总数九十六页\编于十六点目前八十四页\总数九十六页\编于十六点85目前八十五页\总数九十六页\编于十六点86•

需要PC主机性能运行•

与外部设备高度耦合目前八十六页\总数九十六页\编于十六点SLAMWARECore高度集成的模块化导航定位核心2014目前八十七页\总数九十六页\编于十六点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目前八十八页\总数九十六页\编于十六点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

MgmtBatteryMotionSD