激光雷達(dá)SLAM建圖原理及技巧

移動(dòng)機(jī)器人想要實(shí)現(xiàn)自主行走，核心在于實(shí)現(xiàn)自主定位導(dǎo)航，在自主定位導(dǎo)航技術(shù)中會(huì)涉及到定位、建圖、路徑規(guī)劃等問題，而地圖構(gòu)建的好壞將直接影響機(jī)器人的行走路徑。

機(jī)器人想要到達(dá)某個(gè)目的地，需要和人類繪制地圖一樣，描述環(huán)境、認(rèn)識(shí)環(huán)境的過程主要就是依靠地圖。它利用環(huán)境地圖來描述其當(dāng)前環(huán)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(jī)器人學(xué)中，地圖的表示方法主要包括了格柵地圖、特征點(diǎn)地圖、直接表征法以及拓?fù)涞貓D這四種。柵格地圖是目前機(jī)器人應(yīng)用最為廣泛的地圖儲(chǔ)存方式，它看起來和人們所認(rèn)知的地圖區(qū)別不大，本質(zhì)上就是一張位圖圖片，但其中每個(gè)“像素”則表示了實(shí)際環(huán)境中存在障礙物的概率分布。

一方面柵格地圖能表示空間環(huán)境中的很多特征，機(jī)器人可以用它來進(jìn)行路徑規(guī)劃，另一方面，它又不直接記錄傳感器的原始數(shù)據(jù)，相對(duì)實(shí)現(xiàn)了空間和時(shí)間消耗的最優(yōu)。思嵐科技的SLAMWARE定位導(dǎo)航方案就采用了這種地圖，該方案由模塊化自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)SLAMWARE Core及激光雷達(dá)組合構(gòu)成，作為激光SLAM界最具代表性的產(chǎn)品，SLAMWARE能直接完成地圖的構(gòu)建、自主路徑規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)行走控制，無需額外計(jì)算，用戶可方便的在系統(tǒng)中集成。

在地圖的構(gòu)建中，雷達(dá)作為建圖的重要工具，其重要性不言而喻，在這一過程中，激光雷達(dá)充當(dāng)著“眼睛”的角色，可幫助機(jī)器人感知周圍環(huán)境。在機(jī)器人進(jìn)行地圖構(gòu)建前，需要對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行準(zhǔn)確安裝，激光雷達(dá)安裝正確以否將會(huì)直接影響后續(xù)的定位與建圖。以下將以思嵐科技的RPLIDAR建圖做實(shí)例說明。

思嵐科技激光雷達(dá)安裝方法及相關(guān)注意事項(xiàng)：

1.激光雷達(dá)水平安裝角度：0度 ~ +2度 （傾角朝上）；

2.激光雷達(dá)掃描開口角度：建議270度及以上，最好在機(jī)器人正前方和正后方均有開口， 至少需要大于220度；

3.激光雷達(dá)盲區(qū)：15cm， 建議雷達(dá)在安裝時(shí)，可以略往底盤結(jié)構(gòu)中心靠近，以減少盲區(qū)。

雷達(dá)安裝完畢后，緊接著就是建圖前的準(zhǔn)備工作，主要如下：

1.盡量在待掃區(qū)域里沒人或者人較少的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行掃圖；

2.盡量清除待掃區(qū)域中經(jīng)常移動(dòng)的物體（如經(jīng)常移動(dòng)的人群、搬動(dòng)的桌子、盆飾等等）；

3.對(duì)于場景中的反光，透光，吸光等物體（如：鏡子、玻璃等），在條件允許的情況下，盡量在機(jī)器人的雷達(dá)掃描平面處貼上其他不影響雷達(dá)正常掃描的材料；

地圖構(gòu)建技巧：

1.開機(jī)建圖時(shí)，機(jī)器人最好面朝一堵直墻，且讓雷達(dá)盡可能多的掃到更多的有效點(diǎn)；

2.在商場或者一些大環(huán)境應(yīng)用場景下建圖時(shí)，最好讓機(jī)器人先去完成建圖閉環(huán)，再去詳細(xì)掃描環(huán)境里的各個(gè)小細(xì)節(jié)；

3.擦除未探明的區(qū)域

在機(jī)器人的行走區(qū)域內(nèi)，可能會(huì)出現(xiàn)一些掃圖時(shí)未完全探明的區(qū)域（主要跟雷達(dá)測(cè)距半徑有關(guān)），可以在思嵐科技的Robo Studio操作軟件中，可將下圖紅圈處的區(qū)域顯示為灰色，如果在此范圍內(nèi)，確實(shí)不存在任何障礙物，可用白色橡皮擦將此灰色區(qū)域擦除，成為已探明區(qū)域；

下圖為RoboStudio的工具欄，紅圈處為白色橡皮擦：

4.除了可用白色橡皮擦擦除構(gòu)建區(qū)域中的未探明區(qū)域之外，還可擦除地圖區(qū)域中不斷移動(dòng)的物體（如：移動(dòng)的人群，后期會(huì)隨時(shí)搬移的障礙物等）；

5.盡量保證地圖的完整性，在機(jī)器可能的行走路徑上，所有周圍360度的區(qū)域，均需要用雷達(dá)探明，目的是增加地圖的完整性，使得激光匹配的參照點(diǎn)更多；

6.如果地圖已經(jīng)建好，盡量不要在已建好的地圖區(qū)域反復(fù)來回行走，請(qǐng)盡快保存地圖。點(diǎn)擊Robo Studio上面的sync map按鈕，同步地圖后保存地圖；

最后，在地圖構(gòu)建完成后，該如何判斷已建的地圖是否符合定位導(dǎo)航的要求呢？可通過以下幾點(diǎn)進(jìn)行判斷：

1.地圖中障礙物邊緣是否清晰；

2.地圖中是否存和實(shí)際環(huán)境不一致的區(qū)域（如：有無閉環(huán)）；

3.地圖中是否存在機(jī)器人行動(dòng)區(qū)域內(nèi)的灰色區(qū)域（如：未掃描到的區(qū)域）；

4.地圖中是否存在后續(xù)定位時(shí)將不存在的障礙物（如：移動(dòng)障礙物）；

5.地圖中是否能保證機(jī)器人在活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的任何位置，360度的視野范圍內(nèi)，均已經(jīng)探明。