近年來，移動機(jī)器人產(chǎn)品的落地應(yīng)用不斷滲透到各個行業(yè)，具備自主移動的機(jī)器人需要解決兩個核心問題，第一：我在哪；第二：我要如何到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)；相應(yīng)地誕生出兩種解決方案，即SLAM和導(dǎo)航定位。SLAM(Simultaneous Localization and Mapping),即同時定位與地圖構(gòu)建,目前被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域，SLAM算法使得機(jī)器人處于陌生環(huán)境時,能夠通過自身搭載的傳感器來感知環(huán)境信息并建立環(huán)境地圖,并完成對自身位姿的計算,從而能夠在未知環(huán)境中進(jìn)行移動；導(dǎo)航定位技術(shù)即通過路徑規(guī)劃等算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人由當(dāng)前點(diǎn)規(guī)劃出一條到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑，并由車體控制系統(tǒng)控制車輛按照此路徑完成路徑跟蹤。

       正是在這一思路的啟發(fā)下，中科深谷研發(fā)工程師開發(fā)了激光SLAM和導(dǎo)航定位平臺，該平臺實(shí)現(xiàn)構(gòu)建出與環(huán)境特征一致的高精度地圖并在地圖上實(shí)時輸出機(jī)器人的位姿信息，主要由硬件算力平臺、軟件方案和激光雷達(dá)傳感器等組成。根據(jù)激光雷達(dá)傳感器不同，進(jìn)一步細(xì)分為兩個子模塊：2D激光SLAM和導(dǎo)航定位子模塊，3D激光SLAM和導(dǎo)航定位子模塊；2D/3D子模塊均支持融合輪式里程計/IMU等信息，其中3D子模塊支持融合差分GPS信息。

PART 0１ 激光SLAM和導(dǎo)航定位平臺 室內(nèi)外大場景3D高精度建圖

       激光SLAM和導(dǎo)航定位平臺支持快速的建圖方式，可實(shí)現(xiàn)全自動三維高精度導(dǎo)航地圖繪制與三維場景建模，建圖操作簡單、易行，無需過多先驗(yàn)知識即可實(shí)現(xiàn)彩色三維點(diǎn)云構(gòu)建，具備地圖自主更新能力。擁有高精度和魯棒激光SLAM前端激光里程計和后端圖優(yōu)化功能，確保構(gòu)建出與實(shí)際環(huán)境高度一致的地圖。

激光SLAM和導(dǎo)航定位平臺

構(gòu)建不同場景下的3d地圖性能

SLAM前端高精度子圖構(gòu)建技術(shù)：通過魯棒的幀間匹配算法，增量式構(gòu)建子圖，并融合特征定位功能，應(yīng)對稀疏/欠約束環(huán)境下的幀間匹配；

SLAM后端閉環(huán)匹配技術(shù)：通過引入閉環(huán)匹配技術(shù)，當(dāng)機(jī)器人重新到達(dá)原先經(jīng)過的位置能夠通過閉環(huán)匹配技術(shù)有效識別出閉環(huán)約束邊，且科學(xué)地給出篩選有效閉環(huán)約束邊的指標(biāo)，確保將無效閉環(huán)邊剔除；

SLAM后端圖優(yōu)化技術(shù)：當(dāng)閉環(huán)匹配技術(shù)有效識別出閉環(huán)約束邊后，及時進(jìn)行圖優(yōu)化解算，根據(jù)圖優(yōu)化解算結(jié)果，進(jìn)一步將無效閉環(huán)約束邊剔除；根據(jù)圖優(yōu)化解算結(jié)果及時更新各子圖的絕對位姿，最大化消除SLAM前端增量式子圖構(gòu)建系統(tǒng)的累計誤差，進(jìn)而構(gòu)建出與環(huán)境特征最大化一致性地圖。

PART 0２ 激光SLAM和導(dǎo)航定位核心技術(shù) 輕松應(yīng)對多種復(fù)雜環(huán)境

       從室內(nèi)走向室外，移動機(jī)器人常被應(yīng)用于自主移動并完成巡檢、運(yùn)輸?shù)纫幌盗腥蝿?wù)。由于環(huán)境更復(fù)雜，因此需要更精確、更可靠、更穩(wěn)定、更負(fù)責(zé)以及更智能的自主移動導(dǎo)航系統(tǒng)。但在原先，這需要終端客戶自購軟硬件二次開發(fā)，由于接口通用性問題，帶來許多集成不便以及高昂的開發(fā)和集成成本。

       中科深谷推出的激光SLAM和導(dǎo)航定位平臺，建立在中科深谷穩(wěn)定且優(yōu)越的移動機(jī)器人底盤基礎(chǔ)上，不僅能輕松應(yīng)對復(fù)雜溫度、路況、環(huán)境，內(nèi)置多傳感器融合的三維激光自主定位導(dǎo)航算法，定位精度高，抗干擾能力強(qiáng)；無需站點(diǎn)、初始化標(biāo)定；室內(nèi)外無縫定位，室外不受四季植被變化影響，室內(nèi)不受貨物增減影響。

       支持2D/3D激光雷達(dá)傳感器，滿足室內(nèi)外多場景下的激光SLAM和定位功能需求。擁有多傳感器信息融合功能，確保激光SLAM和導(dǎo)航定位過程中魯棒性和可靠性，更加滿足復(fù)雜場景下的建圖和定位功能需求。

       激光SLAM和導(dǎo)航定位平臺基于激光雷達(dá)SLAM系統(tǒng)目的在于構(gòu)建出符合環(huán)境特征的高精度地圖，基于激光雷達(dá)導(dǎo)航定位系統(tǒng)目的在于在已知環(huán)境地圖上實(shí)時輸出機(jī)器人在地圖上的位姿，兩者緊密相關(guān)，SLAM系統(tǒng)輸出的地圖精度決定了導(dǎo)航定位系統(tǒng)輸出位姿的精度。

       激光SLAM系統(tǒng)中前端系統(tǒng)核心在于高精度子圖構(gòu)建技術(shù)，通過魯棒的幀間匹配算法，增量式構(gòu)建子圖，并融合特征定位功能，應(yīng)對稀疏/欠約束環(huán)境下的幀間匹配；后端閉環(huán)匹配技術(shù)是通過引入閉環(huán)匹配技術(shù)，當(dāng)機(jī)器人重新到達(dá)原先經(jīng)過的位置能夠通過閉環(huán)匹配技術(shù)有效識別出閉環(huán)約束邊，且科學(xué)地給出篩選有效閉環(huán)約束邊的指標(biāo)，確保將無效閉環(huán)邊剔除；后端圖優(yōu)化技術(shù)是當(dāng)閉環(huán)匹配技術(shù)有效識別出閉環(huán)約束邊后，及時進(jìn)行圖優(yōu)化解算，根據(jù)圖優(yōu)化解算結(jié)果，進(jìn)一步將無效閉環(huán)約束邊剔除，進(jìn)而構(gòu)建出與環(huán)境特征最大化一致性地圖。

激光導(dǎo)航定位通過融合多傳感器技術(shù)和擴(kuò)展卡爾曼濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠性的導(dǎo)航定位功能。

圖示2D激光SLAM導(dǎo)航定位示意

激光導(dǎo)航定位主要核心技術(shù)點(diǎn)有：

1、多傳感器融合技術(shù)：導(dǎo)航定位系統(tǒng)中魯棒的里程計系統(tǒng)是至關(guān)重要的，提出一種對當(dāng)前激光幀數(shù)據(jù)的有效評估計算模型，實(shí)時判斷機(jī)器人是否處于稀疏/欠約束等環(huán)境下，一旦環(huán)境特征稀疏/欠約束則融合IMU/輪式里程計/視覺等信息，確保里程計系統(tǒng)的魯棒性/可靠性/精確性；

2、擴(kuò)展卡爾曼濾波技術(shù)：為了平滑導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的位姿，基于里程計系統(tǒng)預(yù)估的位姿，并根據(jù)與地圖匹配出的觀測位姿，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波技術(shù)，融合預(yù)測系統(tǒng)和觀測系統(tǒng)的位姿信息，達(dá)到有效濾除過程噪聲和平滑位姿功能；

3、地圖自動更新技術(shù)：基于原始構(gòu)建地圖定位會存在當(dāng)環(huán)境特征變化較大時，導(dǎo)航定位輸出的位姿精度下降或者定位失效；為了更加魯棒地進(jìn)行導(dǎo)航定位，有必要實(shí)時動態(tài)地維護(hù)地圖，即當(dāng)激光數(shù)據(jù)與地圖匹配質(zhì)量不高時，及時更新當(dāng)前局部環(huán)境地圖，并及時將環(huán)境信息維護(hù)到地圖中去。

1、3D激光定位技術(shù)位姿初始化冷啟動功能：利用差分GPS模塊提供的初始位姿，供3D激光定位模塊實(shí)現(xiàn)冷啟動位姿初始化功能，有效解決傳統(tǒng)的基于地圖定位模式下需要手動給定初始位姿問題，大大提升產(chǎn)品易用性；

2、3D激光定位失效時基于GPS信息重新初始化位姿功能：當(dāng)3D激光定位模塊失效時能夠及時利用有效的差分GPS信息供定位模塊重新進(jìn)行位姿初始化功能，提升定位模塊的穩(wěn)定性和魯棒性；

3、3D激光定位融合差分GPS信息位姿輸出功能：在3D激光定位模塊失效時能進(jìn)一步融合差分GPS模塊信息，反之，在差分GPS信息失效時能進(jìn)一步融合基于地圖的定位信息，進(jìn)而保證連續(xù)穩(wěn)定的位姿輸出功能。

PART 03 深谷開源移動機(jī)器人 解鎖多種工業(yè)應(yīng)用場景

安防領(lǐng)域——電力巡檢機(jī)器人

巡檢領(lǐng)域——設(shè)備巡檢機(jī)器人

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域——農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人

物流領(lǐng)域——倉庫盤點(diǎn)機(jī)器人

工業(yè)領(lǐng)域——移動配送機(jī)器人

公共領(lǐng)域——智慧消殺機(jī)器人

      中科深谷激光SLAM和導(dǎo)航定位平臺適配中科深谷全系列底盤（四輪四轉(zhuǎn)移動機(jī)器人、四足機(jī)器人等），實(shí)現(xiàn)建圖、定位與導(dǎo)航功能，系統(tǒng)與底盤通過CAN通訊接口鏈接，實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動控制、原地旋轉(zhuǎn)、雙阿克曼、橫移、斜移等多種運(yùn)動模式。

支持實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、構(gòu)建環(huán)境地圖實(shí)驗(yàn)  

• 使用單激光雷達(dá)傳感器實(shí)現(xiàn)對環(huán)境地圖的構(gòu)建
• 融合多傳感器信息實(shí)現(xiàn)對環(huán)境地圖的構(gòu)建

2、基于地圖定位實(shí)驗(yàn)

• 實(shí)現(xiàn)基于地圖的定位功能實(shí)驗(yàn)
• 融合多傳感器信息實(shí)現(xiàn)魯棒高效定位功能實(shí)驗(yàn)

支持科研方向

• 激光SLAM高精度前端里程計功能設(shè)計研究
• 激光SLAM閉環(huán)檢測功能設(shè)計研究
• 激光SLAM后端圖優(yōu)化功能設(shè)計研究
• 多傳感器融合策略設(shè)計研究
• 擴(kuò)展卡爾曼濾波位姿迭代功能設(shè)計研究
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       從應(yīng)用穩(wěn)定性、導(dǎo)航精確性、落地成本等多方面因素考慮，激光SLAM無疑是未來導(dǎo)航的發(fā)展趨勢。而且隨著導(dǎo)航技術(shù)的更新迭代，多技術(shù)的融合將更深入，多導(dǎo)航融合應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)也會更加顯著。中科深谷將始終以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動，推動激光SLAM和導(dǎo)航定位技術(shù)朝著更高柔性、更高精度和更強(qiáng)適應(yīng)性的方向發(fā)展。

       未來，中科深谷將持續(xù)研發(fā)創(chuàng)新，將工業(yè)等產(chǎn)業(yè)裝備設(shè)備的硬件、軟件、算法等開源開放出來，努力推動教育與產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展！