基于激光雷达的高性能服务机器人自主定位导航 by 陈士凯@思岚科技

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基于激光雷达的高性能服务机器人自主定位导航 by 陈士凯@思岚科技

发布者 machinelearning

发布于 1472711797043 浏览 5094 关键词 人工智能, 智能硬件, 机器学习

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上海思岚科技有限公司

高性能机器人定位导航系统(SLAM) 低成本激光雷达

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服务机器人元年

2004之前

桌面PC

笔记本

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

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与现实世界的交互能力

人机交互自主定位导航环境交互

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Where am I?

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自动送餐

商场智能导购

智能仓储

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

自主定位导航

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传统机器人清扫轨迹

随机碰撞，无法保证覆盖率

采用自主导航定位的清扫轨迹

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实时定位

在未知环境中

绘制地图

路径规划

无需人工干预

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传感器

+

算法

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初级方案：航迹推算 (DeadReckon)

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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

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𝜃

𝑙 𝑏

∆𝑟𝑖𝑔ℎ𝑡 − ∆𝑙𝑒𝑓𝑡 𝜃 = 𝑏

∆𝑙𝑒𝑓𝑡 + ∆𝑟𝑖𝑔ℎ𝑡 𝑙 = 2

差分驱动模式的计算

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(𝑥, 𝑦, 𝜃)

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初级方案：直接引导

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巡线

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信标引导 GPS/UWB/iBeacon/WIFI/RFID

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• 误差随时间累计增大 • 对环境改造大

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SLAM Simultaneous localization and mapping

同步定位和建图

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Dead Reckon

Fast response High Resolution Unbounded Error

Inaccurate

Direct Measuring

+ KF EKF IKF UKF PF

Fused Re…sult

SLAM

Slow Response Low Resolution Bounded Error

Accurate

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• 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

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早期：基于超声波

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研究中：计算机视觉(vSLAM)

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现今最为成熟的方案

激光雷达 + SLAM导航定位算法

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激光雷达 LIDAR

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设计图

SLAM产生的高精度地图

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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

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

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成本制约

难度与挑战

算法难点

运算耗时与结构复杂

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$

成本制约

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￥700,000 ！

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￥

传统工业激光雷达产品

v.s.

￥

服务机器人期望售价

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RPLIDAR 适合消费级领域的激光雷达

6米测量范围，2000hz采样率

2009 - 2013

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RPLIDAR A2

一体化、高性能、高度集成最轻薄的激光雷达(4cm厚度)

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￥

传统工业激光雷达产品

v.s.

￥

RPLIDAR *在批量情况下

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𝑓𝑠 𝑞 = 𝑥

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三角测距法

硬件成本

性能

软件复杂度

高高低接近＊

低高

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12 0.20% 0.18%

10 0.16% 8 0.14% 0.12% 6 0.10% Resoultion 0.08% Precent 4 0.06% 2 0.04% 0.02% 0 0.00%

10 390 770 1150 1530 1910 2290 2670 3050 3430 3810 4190 4570 4950 5330 5710

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现有三角测距原理雷达

相位测距普通摄像头

普通激光测距仪

理想的采样速度实用化最低要求

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?

算法难点

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Sensing 噪声和误差

Modeling 非精确描述

Planning 与现实不匹配可能

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匹配与纠偏

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粒子滤波

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回环闭合问题 (Loop Closure)

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绑架问题(Kidnapped Problem)

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运动规划

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路径规划障碍物规避

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A* path finding

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VFH – Obstacle avoidance

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A* v.s. D*

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Coverage Problem

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充电对接

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

开发难度大、耗时

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(𝑝𝑋, 𝑝𝑌) 𝑪𝒆𝒏𝒄𝒐𝒅𝒆𝒓 (𝑟𝑜𝑙𝑙, 𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ, 𝑦𝑎𝑤)

𝑥0 𝑥1 … 𝑥𝑛

(𝑃𝑊𝑀𝑥, 𝑃𝑊𝑀𝑦)

(𝑑𝑋, 𝑑𝑌, 𝑑𝜃)

(𝑋′, 𝑌′, 𝜃′)

(𝑋, 𝑌, 𝜃) 𝑬

𝐶0 𝐶1 … 𝐶𝑛

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• 需要PC主机性能运行 • 与外部设备高度耦合

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SLAMWARE Core 高度集成的模块化导航定位核心

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HS BUS CTRL BUS

D*引擎

运动控制

SLAM引擎

RPLIDAR 驱动

9DOF 惯导

高速通讯总线运动控制总线

定位坐标，姿态 (𝑋, 𝑌, 𝜃) 协方差

环境地图

RPLIDAR接口 5V电源用户机器人底盘

模块输出

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MotionSDK

WIFI

LCD

MIC Camera

业务应用平台(x86/ARM)

Motor Power

LIDAR Interface (UART+PWM)

HS Bus (100Mbps Ethernet)

CTRL Bus (UART)

LED Buttons

人机接口层

Ctrl Logic

用户业务层控制层

Battery

Ctrl MCU (STM32)

Power Mgmt

HBridge Encoder Sensors

机器人底盘