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《ROS機(jī)器人編程》第十一章_SLAM與自主導(dǎo)航

2023-06-30 10:55 作者:京天博特 0人讀過(guò) | 我要投稿

更新！整理出《ROS機(jī)器人編程》第十一章ppt講義版，請(qǐng)對(duì)照書(shū)籍P312-360頁(yè)學(xué)習(xí)。

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【說(shuō)明】這里的導(dǎo)航(navigation)可以理解為安裝在汽車?yán)锏膶?dǎo)航儀。在駕駛汽車時(shí)，只要在導(dǎo)航儀中設(shè)置目的地，就可以知道從當(dāng)前位置到目的地的準(zhǔn)確距離和所需時(shí)間，另外還可以設(shè)置中途路過(guò)的地點(diǎn)或指定公路。

我們現(xiàn)今使用的導(dǎo)航儀使用方便，但其歷史相對(duì)較短。1981年日本本田首先推出了一種基于三軸陀螺儀和膠卷地圖的叫做“Electro Gryrocator”的模擬(非數(shù)字)方法。后來(lái)美國(guó)汽車產(chǎn)品公司Etak推出了利用帶傳感器的電子羅盤和車輪的電子導(dǎo)航儀(Etak Navigator)?。然而，將傳感器安裝在電子羅盤和車輪上對(duì)于已經(jīng)很昂貴的汽車來(lái)說(shuō)是巨大的負(fù)擔(dān)，而且還具有可靠性方面的問(wèn)題。

自二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，美國(guó)一直在開(kāi)發(fā)用于軍事的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，二十一世紀(jì)二十年代開(kāi)放了24顆全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星，并開(kāi)始使用三角測(cè)量導(dǎo)航系統(tǒng)。

【說(shuō)明】導(dǎo)航是移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的基本目的之一，同時(shí)也是一顆明珠。機(jī)器人技術(shù)中導(dǎo)航非常重要，是必不可少的部分。導(dǎo)航是指機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到一個(gè)指定的目的地，這說(shuō)起來(lái)很容易，但完成它所需的技術(shù)一個(gè)個(gè)都不是容易的任務(wù):要知道機(jī)器人本身在哪里，并要有一個(gè)給定的周圍環(huán)境的地圖，在各種路徑中找出最優(yōu)路徑，在行駛中避免障礙物(如墻壁、家具、物體)等。

【說(shuō)明】第一、機(jī)器人需要自己能夠測(cè)量和估計(jì)姿態(tài)(位置+方向)。汽車會(huì)用GPS估計(jì)自己的位置，但在室內(nèi)無(wú)法使用GPS。即使說(shuō)可以在室內(nèi)使用，誤差較大的GPS無(wú)法用于測(cè)量精細(xì)的移動(dòng)。最近，雖然有DGPS等高精度的定位系統(tǒng)，但在室內(nèi)還是無(wú)法使用的。為了克服這種問(wèn)題，人們引進(jìn)了標(biāo)志識(shí)別方式及室內(nèi)定位系統(tǒng)等技術(shù)，但在成本或精確度方面還不足以投入實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)前的室內(nèi)機(jī)器人用的最多的是導(dǎo)航推測(cè)(dead reckoning)。它的缺點(diǎn)是只能估算相對(duì)位置，但因?yàn)閮H用廉價(jià)的傳感器就能實(shí)現(xiàn)，且已有較長(zhǎng)時(shí)間的研究進(jìn)展，因此可以得到一定水平的位置估計(jì)值，因此被廣泛使用。導(dǎo)航推測(cè)技術(shù)用機(jī)器人的車輪的旋轉(zhuǎn)量來(lái)估計(jì)機(jī)器人本身的移動(dòng)量。但車輪的旋轉(zhuǎn)量具有不少的誤差。

因此還利用IMU傳感器等獲取慣性信息來(lái)補(bǔ)償位置和方向值，以此減小誤差。

【說(shuō)明】第二是一種利用傳感器檢測(cè)墻壁和物體等障礙物的方法。此時(shí)用到距離傳感器、視覺(jué)傳感器等多種傳感器。其中距離傳感器有基于雷達(dá)的距離傳感器(常用的是LDS、LRF 和LiDAR)、超聲波傳感器和紅外距離傳感器等，而視覺(jué)傳感器包括立體相機(jī)、單鏡相機(jī)、360度相機(jī)，以及經(jīng)常用作深度攝像頭的RealSense、Kinect和Xtion也都用于識(shí)別障礙物。

【說(shuō)明】第三是地圖。導(dǎo)航儀從購(gòu)買時(shí)起就配備有非常準(zhǔn)確的地圖，并且可以定期下載更新的地圖，以便可以根據(jù)地圖將汽車引導(dǎo)到目的地。但是在使用服務(wù)機(jī)器人的房間里是否會(huì)有地圖呢?服務(wù)機(jī)器人也像導(dǎo)航儀一樣，需要一個(gè)地圖，所以需要人創(chuàng)建一個(gè)地圖，并把它給到機(jī)器人，或者需要機(jī)器人自己創(chuàng)建一個(gè)地圖。

SLAM(Simultaneous localization and mapping)就是為了讓機(jī)器人自己(或接受人的一些幫助)繪制地圖而出現(xiàn)的技術(shù)。用中文應(yīng)該是“同步定位和繪制地圖”。這是在機(jī)器人移動(dòng)到未知空間時(shí)通過(guò)探測(cè)周圍環(huán)境來(lái)估計(jì)當(dāng)前位置并同時(shí)繪制地圖的方法。

【說(shuō)明】第四是導(dǎo)航(Navigation)功能，這是計(jì)算到達(dá)目的地的最優(yōu)路徑，并且驅(qū)動(dòng)機(jī)器人按照最優(yōu)路徑到達(dá)目的地的功能。實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的算法有很多種:稱為路徑搜索和規(guī)劃的 A*算法、勢(shì)場(chǎng)算法、粒子過(guò)濾算法和RRT(Rapidly-exploring Random Tree)算法等。

【說(shuō)明】在這一節(jié)中，我們簡(jiǎn)要地總結(jié)了SLAM和導(dǎo)航的組成要素，但這是難解和廣博的內(nèi)容。四個(gè)要素中的第一個(gè)要素-測(cè)量和估計(jì)機(jī)器人的位置-已經(jīng)在前面講到，第二個(gè)要素-識(shí)別墻壁、物體等障礙物-在前面的“第8章機(jī)器人、傳感器和電機(jī)”中已說(shuō)明。下面了解一下第三個(gè)要素-用于繪制地圖的SLAM-和第四個(gè)要素-導(dǎo)航。

【說(shuō)明】在描述SLAM的理論之前，我將解釋如何使用TurtleBot3來(lái)使用SLAM。在本節(jié)中，把可以用于繪制地圖的bag文件也上傳到了github存儲(chǔ)庫(kù)中，因此建議讀者跟著做一次。下面先介紹SLAM的應(yīng)用方法，理論則會(huì)在11.4節(jié)中詳細(xì)介紹。

【說(shuō)明】與SLAM相關(guān)的常用的功能包有g(shù)mapping、cartographer和rtabmap。我們將在本節(jié)中使用gmapping。使用Gmapping有幾種硬件限制。對(duì)于常見(jiàn)的移動(dòng)機(jī)器人不成問(wèn)題，但還是希望讀者了解一下。

【說(shuō)明】機(jī)器人的位置是根據(jù)從編碼器和慣性傳感器(IMU傳感器)獲得的測(cè)位來(lái)估計(jì)的。然后，通過(guò)安裝在機(jī)器人上的距離傳感器來(lái)計(jì)算機(jī)器人與障礙物之間的距離。導(dǎo)航系統(tǒng)將機(jī)器人位置、傳感器姿態(tài)、障礙物信息和作為SLAM地圖的結(jié)果而獲得的占用網(wǎng)格地圖調(diào)用到固定地圖(static map)，用作占用區(qū)域(occupied area)、自由區(qū)域(free area) 和未知區(qū)域(unknown area)。

在導(dǎo)航中，基于上述四種因素，計(jì)算障礙物區(qū)域、預(yù)計(jì)會(huì)和障礙物碰撞的區(qū)域以及機(jī)器人可移動(dòng)區(qū)域，這被稱為成本地圖(costmap)。根據(jù)導(dǎo)航類型，成本地圖又被分成兩部分。一個(gè)是global_costmap，在全局移動(dòng)路徑規(guī)劃中以整個(gè)區(qū)域?yàn)閷?duì)象建立移動(dòng)計(jì)劃，其輸出結(jié)果就是global_costmap。而另一個(gè)被稱為local_costmap，這是在局部移動(dòng)路徑規(guī)劃中，在以機(jī)器人為中心的部分限定區(qū)域中規(guī)劃移動(dòng)路徑時(shí)，或在躲避障礙物時(shí)用到的地圖。

然而，這兩種成本圖的表示方法是相同的，盡管它們的目的不同。

【說(shuō)明】至此，結(jié)束了對(duì)SLAM和導(dǎo)航的實(shí)習(xí)、應(yīng)用和理論的講解。雖然這主要是用移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)Turtlebot3來(lái)說(shuō)明的，但也適用于其他機(jī)器人，所以如果讀者正在使用另一個(gè)機(jī)器人或開(kāi)發(fā)了自己的機(jī)器人，那么也可以應(yīng)用它。