机器人导航常用技术

隨著人口紅利的逐漸消失，機器人代替人工完成簡單、重復性工作已是未來發展的必然趨勢。對于一些在商用場景中使用的服務機器人來說，不僅需要涉及到語音識別、人機交互等技術，機器人導航技術也成為其中的關鍵。

實現機器人導航的基本環節

1.感知

機器人實現對周圍環境的感知通常會涉及到激光雷達、深度攝像頭、超聲波等傳感器。相比于其他傳感器，激光雷達傳感器具有測量精度高、響應速度快、抗干擾力強等優點，因此被認為是實現機器人感知的核心傳感器。目前激光雷達傳感器有單線及多線之分，但應用于機器人身上主要以單線激光雷達為主。激光雷達好比機器人的“眼睛”，可對周圍物體實現全方位測距掃描，以確定物體的位置、大小、外部形狀等，并生成周圍環境的輪廓信息圖。

2.定位建圖

機器人想要到達某個目的地，需要和人類繪制地圖一樣，描述環境、認識環境的過程主要就是依靠地圖。它利用環境地圖來描述當前環境信息，并隨著使用的算法與傳感器差異的不同，所采用的地圖描述形式也不同，在機器人學中，地圖的表示方法主要包括了格柵地圖、特征點地圖、直接表征法以及拓撲地圖這四種。柵格地圖是目前機器人應用最為廣泛的地圖儲存方式，它看起來和人們所認知的地圖區別不大，本質上就是一張位圖圖片，但其中每個“像素”則表示了實際環境中存在障礙物的概率分布。

3.路徑規劃

路徑規劃是移動機器人導航的基本環節，指的是機器人在有障礙物的工作環境中，如何找到一條從起點到終點適當的運動路徑，使機器人在運動過程中能安全、無碰撞地繞過所有障礙物。根據對環境信息的掌握程度不同，路徑規劃可分為全局路徑規劃和局部路徑規劃。

全局路徑規劃是在已知的環境中規劃的行走路線，當環境發生變化時，該方法就無能為力了。而局部路徑規劃則是在環境信息完全未知或有部分可知，側重于考慮機器人當前的局部環境信息，讓機器人具有良好的避障能力。

全局路徑規劃和局部路徑規劃并沒有本質上的區別，很多適用于全局路徑規劃的方法經過改進也可以用于局部路徑規劃，而適用于局部路徑規劃的方法同樣經過改進后也可適用于全局路徑規劃。兩者協同工作，機器人才能更可靠的規劃行走路徑。

4.避障

避障是保證機器人運行安全的關鍵，在感知中我們提到過激光雷達、超聲波、深度攝像頭、防跌落等傳感器。

雖然激光雷達被認為是其中的核心，但在實現機器人避障中，由于不同傳感器各有優劣，多傳感器的相互融合是目前實現機器人避障的常用方案。

機器人導航常用技術

相較于鋪設導引線、貼二維碼等導航方式，激光SLAM導航無需放置標示性物體，也不會受到地面二維碼的限定，能夠讓機器人隨意在室內環境中行走，因此被認為是目前最受歡迎的導航方式。

激光SLAM脫胎于早期的基于測距的定位方法。激光雷達的出現和普及使得測量更快更準，信息更豐富。激光雷達采集到的物體信息呈現出一系列分散的、具有準確角度和距離信息的點，被稱為點云。通常，激光SLAM系統通過對不同時刻兩片點云的匹配與比對，計算激光雷達相對運動的距離和姿態的改變，也就完成了對機器人自身的定位。

激光雷達距離測量比較準確，誤差模型簡單，在強光直射以外的環境中運行穩定，點云的處理也比較容易。同時，點云信息本身包含直接的幾何關系，使得機器人的路徑規劃和導航變得直觀。激光SLAM理論研究也相對成熟，落地產品更豐富。

作為業內最早將激光SLAM應用于服務機器人的企業，思嵐科技在該領域已有成熟解決方案。思嵐科技SLAM Cube是實現機器人定位導航的核心產品之一，它可幫助企業及行業用戶實現智能移動機器人積木式的快捷搭建，滿足機器人本體廠家、方案集成商以及行業客戶進行快速高效的機器人產品研發集成。

SLAM Cube采用模塊化設計，提供可適用于多種室內外場景的商用機器人自主定位導航能力，且在此基礎上集成電源控制管理，傳感器信號采集管理、電機控制管理、自動/應急充電管理等一體化功能。通過適配多種類型傳感器、電機、電池等，幫助客戶用積木化的方式便捷搭建專屬的機器人底盤系統，滿足客制化需求。

SLAM Cube模塊化機器人定位導航“魔方”主要由主控盒（SLAM Cube控制核心）、電源管理盒、工控機、傳感器采集盒、自動充電通信板五大模塊組成。

1.主控盒（SLAM Cube控制核心）

作為系統控制核心，主控盒主要用于接收雷達及各類傳感器數據，提供 及路徑規劃功能并輸出電機運動控制，支持IPC擴展。

2.電源管理盒

作為系統電源管理核心，接受電池輸入，為主控盒、用戶以及電機提供供電，并同時提供過流保護，支持電池自動與應急充電回路。

3.工控機

控制機器人運動的核心中樞，起到數據處理作用，充當了機器人“大腦”的角色。

4.傳感器采集盒

提供傳感器數據采集并上報主控盒。

5.自動充電通信板

通過紅外通信進行對樁，為底盤提供自動充電功能。

實際操作過程中，機器人廠家僅需對以上模塊進行組裝拼接，只需這簡單幾步便可成功組件智能移動機器人：其他外部硬件準備→SLAM Cube各組件之間連線→整機上電→系統運行→成功組件智能移動機器人。

對于想快速占領市場先機的服務機器人企業來說，與其投入大量精力自主機器人導航技術，不少企業更愿意選擇目前市面上已有的成熟導航方案，而本身只專注于開發機器人上層結構，這樣可節省大量研發成本。