深度解析|机器人自主移动的秘密（三）

只看该作者 · 2017-8-11 10:30

机器人自主移动的秘密（三）终于来啦！！

在（二）中，我们最后留下的问题是利用SLAM技术得到了有效的空间信息后，它是怎样实现路径规划的？SLAM和路径规划之间关系是怎样的？

下面，我们先来看看SLAM与路径规划的关系。

实际上，SLAM算法本身只是完成了机器人的定位和地图构建两件事情，与我们说的导航定位并不是完全等价的。这里的导航，其实是SLAM算法做不了的。它在业内叫做运动规划(Motion Planning)。

运动规划是一个很大的概念，从机械臂的运动、到飞行器的飞行，再到这里我们说的扫地机的清扫路径规划，都是运动规划的范畴。

我们先谈谈针对扫地机这类轮式机器人的运动规划。这里所需的基础能力就是路径规划，也就是一般在完成SLAM后，要进行一个叫做目标点导航的能力。通俗的说，就是规划一条从A点到B点的路径出来，然后让机器人移动过去。

要实现这个过程，运动规划要实现至少两个层次的模块，一个叫做全局规划，这个和我们车载导航仪有一点像，它需要在地图上预先规划一条线路，也要有当前机器人的位置。这是由我们的SLAM系统提供出来的。行业内一般会用叫做A*的算法来实现这个过程，它是一种启发式的搜索算法，非常优秀。它最多的应用，是在游戏中，比如像星际争霸、魔兽争霸之类的即时战略游戏，都是使用这个算法来计算单位的运动轨迹的。

当然，仅仅规划了路径还是不够的，现实中会有很多突发情况，比如正巧有个小孩子挡道了，就需要调整原先的路径。当然，有时候这种调整并不需要重新计算一遍全局路径，机器人可能稍微绕一个弯就可以。此时，我们就需要另一个层次的规划模块，叫做局部规划。它可能并不知道机器人最终要去哪，但是对于机器人怎么绕开眼前的障碍物特别在行。

这两个层次的规划模块协同工作，机器人就可以很好的实现从A点到B点的行动了，不过实际工作环境下，上述配置还不够。比如A＊算法规划的路径是根据已知地图，预先规划好的，一旦机器人前往目的地的过程中遇到了新的障碍物，就只好完全停下来，等待障碍物离开或者重新规划路径了。如果扫地机器人买回家，必须先把屋子都走一遍以后才肯扫地，那用户体验就会很差。

为此，也会有针对这类算法的改进，比如SLAMWARE内我们采用改良的D*算法进行路径规划，这也是美国火星探测器采用的核心寻路算法。这是一种动态启发式路径搜索算法，它让机器人在陌生环境中行动自如，在瞬息万变的环境中游刃有余。

D*算法的最大优点是不需要预先探明地图，机器人可以和人一样，即使在未知环境中，也可以展开行动，随着机器人不断探索，路径也会时刻调整。

以上是目前大部分移动机器人都需要的路径规划算法，而扫地机器人作为最早出现在消费市场的服务机器人之一，它需要的路径规划算法更为复杂。

一般来说，扫地机需要这么几个规划能力：贴边打扫、折返的工字形清扫以及没电时候自主充电。单单依靠前面介绍的D*这类算法，无法满足这些基础需要。

扫地机器人还需要有额外的规划算法，比如针对折返的工字形清扫，有很多问题要处理。扫地机如何最有效进行清扫而不重复清扫？如何让扫地机和人一样，理解房间、门、走廊这种概念？

针对这些问题，学术界长久以来有一个专门的研究课题，叫做空间覆盖（space coverage），同时也提出了非常多的算法和理论。其中，比较有名的是Morse Decompositions，扫地机通过它实现对空间进行划分，随后进行清扫。