[科普中國(guó)]-特征地圖

簡(jiǎn)介

特征地圖用有關(guān)的幾何特征（如點(diǎn)、直線、面）表示環(huán)境。常見(jiàn)于vSLAM（視覺(jué)SLAM）技術(shù)中。它一般通過(guò)如GPS、UWB以及攝像頭配合稀疏方式的vSLAM算法產(chǎn)生，優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量和運(yùn)算量比較小，多見(jiàn)于最早的SLAM算法中。

拓?fù)涞貓D把室內(nèi)環(huán)境表示為帶結(jié)點(diǎn)和相關(guān)連接線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中結(jié)點(diǎn)表示環(huán)境中的重要位置點(diǎn)（拐角、門、電梯、樓梯等），邊表示結(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系，如走廊等。

柵格地圖則是把環(huán)境劃分成一系列柵格，其中每一柵格給定一個(gè)可能值，表示該柵格被占據(jù)的概率。

直接表征法省去了特征或柵格表示這一中間環(huán)節(jié)，直接用傳感器讀取的數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)造機(jī)器人的位姿空間。每種方法各有自己的特點(diǎn)和適用范圍，其中特征地圖和柵格地圖應(yīng)用最普遍。

SLAM算法SLAM是同步定位與地圖構(gòu)建(SimultaneousLocalization And Mapping)的縮寫，最早由Hugh Durrant-Whyte 和 John J.Leonard提出。

同步定位與地圖構(gòu)建（SLAM或Simultaneous localization and mapping）是一種概念：希望機(jī)器人從未知環(huán)境的未知地點(diǎn)出發(fā)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)重復(fù)觀測(cè)到的地圖特征（比如，墻角，柱子等）定位自身位置和姿態(tài)，再根據(jù)自身位置增量式的構(gòu)建地圖，從而達(dá)到同時(shí)定位和地圖構(gòu)建的目的。

這里說(shuō)的地圖，是用來(lái)在環(huán)境中定位，以及描述當(dāng)前環(huán)境以便于規(guī)劃航線的一個(gè)概念；它通過(guò)記錄以某種形式的感知獲取的信息，用以和當(dāng)前的感知結(jié)果相比較，以支撐對(duì)現(xiàn)實(shí)定位的評(píng)估。在定位評(píng)估方面，地圖提供的幫助程度，與感知的精度和質(zhì)量成反相關(guān)。地圖通常反映了它被描繪出來(lái)的時(shí)刻的環(huán)境狀態(tài)，所以它并不一定反映它被使用的時(shí)刻的環(huán)境狀態(tài)。

在誤差和噪音條件下，定位和地圖構(gòu)建技術(shù)上的復(fù)雜度不支持兩者同時(shí)獲得連續(xù)的解。即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（SLAM）是這樣一個(gè)概念：把兩方面的進(jìn)程都捆綁在一個(gè)循環(huán)之中，以此支持雙方在各自進(jìn)程中都求得連續(xù)解；不同進(jìn)程中相互迭代的反饋對(duì)雙方的連續(xù)解有改進(jìn)作用。

地圖構(gòu)建，是研究如何把從一系列傳感器收集到的信息，集成到一個(gè)一致性的模型上的問(wèn)題。它可以被描述為第一核心問(wèn)題：這個(gè)世界長(zhǎng)什么樣？地圖構(gòu)建的核心部分是環(huán)境的表達(dá)方式以及傳感器數(shù)據(jù)的解釋。

與之相比，定位，是在地圖上估測(cè)機(jī)器人的坐標(biāo)和姿勢(shì)形態(tài)的問(wèn)題；換而言之，機(jī)器人需要回答這里的第二核心問(wèn)題，我在哪？典型的解包含以下兩個(gè)方面：追蹤——通常機(jī)器人的初始位置已知；全局定位——通常只給出很少，甚至不給出有關(guān)于起始位置環(huán)境特征的先驗(yàn)信息。

所以，同步定位與地圖構(gòu)建（SLAM）被定義為以下問(wèn)題：在建立新地圖模型或者改進(jìn)已知地圖的同時(shí)，在該地圖模型上定位機(jī)器人。實(shí)際上，這兩個(gè)核心問(wèn)題如果分開(kāi)解決，將毫無(wú)意義；必須同時(shí)求解。

在機(jī)器人能夠根據(jù)一系列觀測(cè)值回答“這個(gè)世界長(zhǎng)什么樣”之前，它需要知道的額外信息很多，比如以下：

它自身的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，

信息的自動(dòng)獲得需要什么樣的品質(zhì)，

附加的支持觀測(cè)值能從哪些源得到。在沒(méi)有地圖或者方向參考的前提下，對(duì)機(jī)器人的當(dāng)前位置估測(cè)是一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)。1這里的"位置"可以簡(jiǎn)單指代機(jī)器人的所處方位，也可以包括它的姿勢(shì)形態(tài)。

線段特征地圖的創(chuàng)建超聲波傳感器測(cè)距模型本文采用的是旅行者號(hào)移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，此機(jī)器人配備了個(gè)超聲波傳感器，每?jī)蓚€(gè)超聲波傳感器之間的夾角為度，如圖所示，超聲波傳感器測(cè)距的原理是超聲波傳感器向空氣中發(fā)出一束超聲波，超聲波在空氣中傳播的過(guò)程中遇到障礙物就會(huì)反射回來(lái)，通過(guò)超聲波在空氣中傳播的時(shí)間和超聲波在空氣中的傳播速度就能準(zhǔn)確度的計(jì)算出超聲波傳播的距離。旅行者號(hào)移動(dòng)機(jī)器人攜帶的傳感器的測(cè)距范圍為。距離數(shù)據(jù)連續(xù)的從24感器中獲取并存取在一個(gè)緩沖區(qū)中。這些原始的距離數(shù)據(jù)被用作水平反射障礙檢測(cè)和避障，它可以在機(jī)器人周圍構(gòu)造一個(gè)可見(jiàn)區(qū)間描述被稱作為“聲納視界”。

聲納視界是由在外部笛卡爾坐標(biāo)系中的24置數(shù)組構(gòu)成的，在這個(gè)數(shù)組中的點(diǎn)都是機(jī)器人周圍可見(jiàn)空間這個(gè)多邊形的頂點(diǎn)，隨著聲納視界中的每個(gè)點(diǎn)被存取有一種不確定性也被存取。這些點(diǎn)和他們的不確定性依據(jù)聲納測(cè)距模型通過(guò)投射距離測(cè)量從他們的觀測(cè)點(diǎn)獲取。傳感器相對(duì)于機(jī)器人原點(diǎn)的位置和方向定義在傳感器配置表中。對(duì)于每個(gè)超聲波傳感器的配置表如下所示：

r表示機(jī)器人原點(diǎn)到傳感器的距離。

γ表示機(jī)器人軸相對(duì)于機(jī)器人原點(diǎn)到傳感器這個(gè)線段的角度。

β表示機(jī)器人軸相對(duì)于傳感器方向的角度。

基于線段特征編碼的地圖創(chuàng)建當(dāng)機(jī)器人探測(cè)完一些環(huán)境區(qū)域后，線段特征數(shù)據(jù)存取在內(nèi)存中的順序是混亂的。機(jī)

2器人如何快速的將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)還原成一幅準(zhǔn)確的地圖是問(wèn)題的一個(gè)難點(diǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，我們采用線段特征編碼的方法解決。在這一節(jié)中，我們將詳細(xì)的介紹線

段特征編碼的方法。線段特征編碼法標(biāo)記的對(duì)象是線段，先根據(jù)線段的連通關(guān)系判斷哪

些線段屬于同一障礙物，進(jìn)而根據(jù)線段的鄰近關(guān)系對(duì)各線段表中的線段進(jìn)行標(biāo)記和排

序。

線段編碼法可分為線段表掃描，線段是否為在一障礙物關(guān)系判斷，統(tǒng)一標(biāo)記，標(biāo)記

排序和地圖創(chuàng)建個(gè)步聚，它的實(shí)現(xiàn)步聚如下：

逐行掃描內(nèi)存中的初始線段表，即獲取線段的線段特征信息。

根據(jù)線段的連通關(guān)系判斷線段表中哪些線段屬于同一障礙物，并做相應(yīng)處理：

如果第條線段和第條線段相連通且第條線段還未做標(biāo)記，則將第條線

段的標(biāo)記賦給第條線段為線段表中線段的總數(shù)。

若第條線段和第條線段相連通且第條線段已做標(biāo)記，則記下這兩條線段標(biāo)記間的等價(jià)關(guān)系。

若第條線段和第條線段不相連通，則賦予第條線段新的標(biāo)記，并繼續(xù)檢測(cè)新的線段。

統(tǒng)一具有等價(jià)標(biāo)記的同一障礙物邊緣線段的標(biāo)記，使得相同障礙物的邊緣線段采用相同的標(biāo)記。

根據(jù)線段的鄰近關(guān)系和鄰近度對(duì)線段進(jìn)行標(biāo)記和排序，方法同上。

編碼完成后機(jī)器人根據(jù)內(nèi)存中存取的線段表在直角坐標(biāo)系中依次畫出所有線段完成地圖的創(chuàng)建。2