關(guān)于即時(shí)定位與地圖構(gòu)建的三個(gè)基本問(wèn)題

即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous LocalizationAnd Mapping）指的是機(jī)器人在自身位置不確定的條件下,在完全未知環(huán)境中創(chuàng)建地圖,同時(shí)利用地圖進(jìn)行自主定位和導(dǎo)航。

SLAM問(wèn)題可以描述為:機(jī)器人在未知環(huán)境中從一個(gè)未知位置開(kāi)始移動(dòng),在移動(dòng)過(guò)程中根據(jù)位置估計(jì)和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行自身定位,同時(shí)建造增量式地圖。

（1）定位(localization)：機(jī)器人必須知道自己在環(huán)境中位置。

（2）建圖(mapping)：機(jī)器人必須記錄環(huán)境中特征的位置（如果知道自己的位置）

（3）SLAM：機(jī)器人在定位的同時(shí)建立環(huán)境地圖。其基本原理是運(yùn)過(guò)概率統(tǒng)計(jì)的方法，通過(guò)多特征匹配來(lái)達(dá)到定位和減少定位誤差的。

SLAM的基本過(guò)程

移動(dòng)機(jī)器人自定位與環(huán)境建模問(wèn)題是緊密相關(guān)的。環(huán)境模型的準(zhǔn)確性依賴于定位精度，而定位的實(shí)現(xiàn)又離不開(kāi)環(huán)境模型。在未知環(huán)境中，機(jī)器人沒(méi)有什么參照物，只能依靠自己并不十分準(zhǔn)確的傳感器來(lái)獲取外界信息，如同一個(gè)盲人在一個(gè)陌生環(huán)境中摸索的情況。這種情況下，定位是比較困難的。有地圖的定位和有定位的地圖創(chuàng)建都是容易解決的，但無(wú)地圖的定位和未解決定位的地圖創(chuàng)建如同"雞--蛋"問(wèn)題，無(wú)從下手。

已有的研究中對(duì)這類問(wèn)題的解決方法可分為兩類：一類利用自身攜帶的多種內(nèi)部傳感器(包括里程儀、羅盤(pán)、加速度計(jì)等)，通過(guò)多種傳感信息的融合減少定位的誤差，使用的融合算法多為基于卡爾曼濾波的方法。這類方法由于沒(méi)有參考外部信息，在長(zhǎng)時(shí)間的漫游后誤差的積累會(huì)比較大。另一類方法在依靠?jī)?nèi)部傳感器估計(jì)自身運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，使用外部傳感器(如激光測(cè)距儀、視覺(jué)等)感知環(huán)境，對(duì)獲得的信息進(jìn)行分析提取環(huán)境特征并保存，在下一步通過(guò)對(duì)環(huán)境特征的比較對(duì)自身位置進(jìn)行校正。但這種方法依賴于能夠取得環(huán)境特征。

SLAM的三個(gè)基本問(wèn)題

Leonard和Durrant-Whyte將移動(dòng)機(jī)器人完成任務(wù)定義為三個(gè)問(wèn)題“Where am I?”、“Where am I going?”和“How do I get there”，就是定位、目標(biāo)識(shí)別和路徑規(guī)劃，為了能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，移動(dòng)機(jī)器人需要靠本體感受傳感器和環(huán)境感知傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)本體位姿估計(jì)和外部環(huán)境位姿的定位。依據(jù)環(huán)境空間的描述方法，Desouza等將視覺(jué)導(dǎo)航的方法化為三類：

(1)已知地圖的導(dǎo)航(Map-Based Navigation)：表示地圖的方法幾何特征(Geometric Primitives)、拓?fù)涮卣?Topological Features)或占據(jù)柵格(Occupancy Grids)移動(dòng)機(jī)器人依據(jù)這些已知的環(huán)境地圖進(jìn)行導(dǎo)航。

(2)地圖建立的導(dǎo)航(Map-Building-Based Navigation)：在沒(méi)有已知環(huán)境地圖的情況下，移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)自身的導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)和傳感器的不斷感知更新來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航。

(3)未知環(huán)境的導(dǎo)航(Mapless Navigation)：相對(duì)于上面兩種方法，在實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)環(huán)境中無(wú)法建立明確的地圖表達(dá)形式，更多的是通過(guò)傳感器獲得的觀測(cè)信息用來(lái)識(shí)別或者跟蹤環(huán)境中的物體來(lái)導(dǎo)航。

SLAM技術(shù)主要應(yīng)用于無(wú)人駕駛、無(wú)人機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)三個(gè)領(lǐng)域

但是由于感知信息的不確定性，移動(dòng)機(jī)器人很難實(shí)現(xiàn)定位的準(zhǔn)確，因而，在未知環(huán)境中的定位成為最關(guān)鍵的問(wèn)題。

定位(Where am I?)是實(shí)現(xiàn)自主能力的最基本問(wèn)題，是為了確定機(jī)器人在運(yùn)行環(huán)境中相對(duì)于世界坐標(biāo)系的位置及其本身的位姿。

移動(dòng)機(jī)器人的定位與其它領(lǐng)域研究課題的關(guān)系如圖所示：

SLAM與各領(lǐng)域關(guān)系圖

現(xiàn)有的移動(dòng)機(jī)器人自主定位方法主要是局部定位和全局定位。局部是通過(guò)測(cè)量相對(duì)于機(jī)器人初始位姿的距離和方向來(lái)確定當(dāng)前的位姿，但隨著時(shí)間的累計(jì)造成定位的誤差較大，無(wú)法精確定位。全局定位則通過(guò)測(cè)機(jī)器人的絕對(duì)位置來(lái)定位，定位的精度較高，并且可以用來(lái)修正局部定位的定位誤差。

現(xiàn)在移動(dòng)機(jī)器人定位的方法大致可分為三類

(1)相對(duì)定位(Relative Position Measurements)：主要依靠?jī)?nèi)部本體感受傳感器如里程計(jì)（Odometry）、陀螺儀(Gyroscopes)等，通過(guò)給定初始位姿，來(lái)測(cè)量相對(duì)于機(jī)器人初始位姿的距離和方向來(lái)確定當(dāng)前機(jī)器人的位姿，也叫做航跡推測(cè)(Dead Reckoning,DR)。

(2)絕對(duì)定位(Absolute Position Measurements)：主要采用主動(dòng)或被動(dòng)標(biāo)識(shí)(Activeor Passive Beacons)、地圖匹配(Map Matching)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)、或?qū)Ш叫艠?biāo)(LandmarkNavigation)進(jìn)行定位。位置的計(jì)算方法包括有三角測(cè)量法(Triangulation)、三邊測(cè)量法(Trilateration)和模型匹配算法(ModelMatching)等。

(3)組合定位(Combined Position Method)：雖然相對(duì)定位這種方法能夠根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的自我推算移動(dòng)機(jī)器人的位姿和軌跡而且具有自包含的有點(diǎn)。但是不可避免地會(huì)存在隨時(shí)間的增加和距離的增加而增加的累積航跡誤差。在絕對(duì)定位中，地圖匹配技術(shù)處理數(shù)據(jù)速度較慢，而信標(biāo)或標(biāo)識(shí)牌的建設(shè)和維護(hù)成本太高，GPS又只能在室外使用。由于單一定位的方法的缺陷，移動(dòng)機(jī)器人定位仍然是基于航跡的推算與絕對(duì)位姿和軌跡矯正相結(jié)合起來(lái)。

審核編輯：劉清