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Where

am

I?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

−

∆𝑙𝑒𝑓𝑡

𝑏∆𝑙𝑒𝑓𝑡

+

∆𝑟𝑖𝑔ℎ𝑡

21718(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25

SLAMSimultaneous

localization

and

mapping

同步定位和建图Fused

Result26Dead

Reckon

Fast

response

HighResolution

Unbounded

Error

InaccurateDirect

Measuring

Slow

Response

Low

Resolution

Bounded

Error

Accurate

+

KF

EKF

IKF

UKF

PF

…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

-

201350RPLIDAR

A2一体化、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

=𝑓𝑠

𝑥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%1210

8

6

4

2

0ResoultionPrecent5657

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60

Sensing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

(Loop

Closure)646566绑架问题(Kidnapped

Problem)