浅谈国内SLAM技术发展现状

過(guò)去幾年，掃地機(jī)的出現(xiàn)使得SLAM名聲大噪，這個(gè)被業(yè)界認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主移動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，已逐漸進(jìn)入人們的視野，而隨著無(wú)人駕駛、AGV等行業(yè)的興起，又使其找到了另一片廣闊天地。

SLAM的前世今生

對(duì)于定位、定向等需求人們其實(shí)在千年前就有了，最早時(shí)期，古人提出了夜觀天象，基于遙遠(yuǎn)恒星的方位推斷自身所處的位置，進(jìn)而演變出一門(mén)博大精深的學(xué)科“牽星術(shù)”，用牽星板測(cè)量星星實(shí)現(xiàn)緯度估計(jì)。直到1964年，美國(guó)建立了全球定位系統(tǒng)GPS，利用RTK的實(shí)時(shí)相位差分技術(shù)，甚至能實(shí)現(xiàn)厘米的定位精度，基本上解決了室外的定位問(wèn)題。但針對(duì)室內(nèi)定位就較為復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的定位，當(dāng)時(shí)涌現(xiàn)出了一大批技術(shù)，而SLAM技術(shù)就在那時(shí)脫穎而出。

SLAM的全稱(chēng)是Simultaneous Localization and Mapping，即時(shí)定位與地圖構(gòu)建，是業(yè)界公認(rèn)的前沿定位技術(shù)方向，它主要用于解決機(jī)器人在未知環(huán)境運(yùn)動(dòng)時(shí)的定位和地圖構(gòu)建問(wèn)題。隨著SLAM技術(shù)重要性的凸顯以及應(yīng)用市場(chǎng)的擴(kuò)大，越來(lái)越多企業(yè)開(kāi)始投入到SLAM技術(shù)研發(fā)中。

根據(jù)傳感器的不同，業(yè)內(nèi)也將SLAM分為視覺(jué)SLAM與激光SLAM兩大類(lèi)：

1.視覺(jué)SLAM

視覺(jué)SLAM主要是采用深度攝像機(jī)，基于單目、雙目、魚(yú)眼相機(jī)的視覺(jué)SLAM方案，利用多幀圖像來(lái)估計(jì)自身的位姿變化，再通過(guò)累計(jì)位姿變化來(lái)計(jì)算物體的距離，并進(jìn)行定位與地圖構(gòu)建。視覺(jué)SLAM可以從環(huán)境中獲取海量的、富于冗余的紋理信息，擁有超強(qiáng)的場(chǎng)景辨識(shí)能力。早期的視覺(jué)SLAM基于濾波理論，其非線(xiàn)性的誤差模型和巨大的計(jì)算量成了它實(shí)用落地的障礙。近年來(lái)，隨著具有稀疏性的非線(xiàn)性?xún)?yōu)化理論(Bundle Adjustment)以及相機(jī)技術(shù)、計(jì)算性能的進(jìn)步，實(shí)時(shí)運(yùn)行的視覺(jué)SLAM已不再是夢(mèng)。

2.激光SLAM

激光SLAM采用單線(xiàn)或多線(xiàn)激光雷達(dá)，一般單線(xiàn)激光雷達(dá)主要用于室內(nèi)機(jī)器人上，如我們常見(jiàn)的家庭掃地機(jī)器人及商用場(chǎng)景中的服務(wù)型機(jī)器人，而多線(xiàn)激光雷達(dá)常用于無(wú)人駕駛領(lǐng)域。激光SLAM通過(guò)對(duì)不同時(shí)刻的兩片點(diǎn)云進(jìn)行匹配與比對(duì)，計(jì)算激光雷達(dá)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離和姿態(tài)的改變，也就完成了機(jī)器人自身的定位。

由于傳感器種類(lèi)和安裝方式的不同，SLAM在實(shí)現(xiàn)方式及實(shí)現(xiàn)難度上也會(huì)有所差異。就目前而言，激光SLAM技術(shù)相對(duì)更為成熟，落地應(yīng)用也更為豐富。

SLAM正在入侵這些行業(yè)

目前SLAM技術(shù)已入侵了多個(gè)行業(yè)，包括機(jī)器人、無(wú)人駕駛、AR/VR以及AGV等多領(lǐng)域。

在機(jī)器人定位導(dǎo)航領(lǐng)域，SLAM可以輔助機(jī)器人執(zhí)行路徑規(guī)劃、自主探索、導(dǎo)航等任務(wù)。國(guó)內(nèi)的科沃斯、塔米以及新晉品牌嵐豹都采用了SLAM結(jié)合激光雷達(dá)或者攝像頭的方法，讓掃地機(jī)高效繪制室內(nèi)地圖，智能分析和規(guī)劃掃地環(huán)境，從而成功讓自己步入了智能導(dǎo)航的陣列。

在無(wú)人駕駛領(lǐng)域，可以使用SLAM提供視覺(jué)里程計(jì)功能，然后跟其他的定位方式融合。從而滿(mǎn)足無(wú)人駕駛精準(zhǔn)定位的需求。例如，應(yīng)用了基于激光雷達(dá)技術(shù)Google無(wú)人駕駛車(chē)以及牛津大學(xué)MobileRoboticsGroup11年改裝的無(wú)人駕駛汽車(chē)野貓(Wildcat)均已成功路測(cè)。

在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，可以使用SLAM構(gòu)建局部地圖，輔助無(wú)人機(jī)進(jìn)行自主避障、路徑規(guī)劃。

曾經(jīng)刷爆美國(guó)朋友圈的Hovercamera無(wú)人機(jī)，就應(yīng)用到了SLAM技術(shù)。

在AR/VR領(lǐng)域，SLAM技術(shù)能夠構(gòu)建視覺(jué)效果更為真實(shí)的地圖，從而針對(duì)當(dāng)前視角渲染虛擬物體的疊加效果，使之更真實(shí)沒(méi)有違和感。VR/AR代表性產(chǎn)品中微軟Hololens、谷歌ProjectTango以及MagicLeap都應(yīng)用了SLAM作為視覺(jué)增強(qiáng)手段。

在AGV領(lǐng)域，將SLAM技術(shù)用于AGV物流小車(chē)上，可以不用預(yù)先鋪設(shè)任何軌道，方便工廠生產(chǎn)線(xiàn)的升級(jí)改造和導(dǎo)航路線(xiàn)變更，進(jìn)行實(shí)時(shí)避障，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，同時(shí)能更好的實(shí)現(xiàn)多AGV小車(chē)的協(xié)調(diào)控制，目前國(guó)內(nèi)已有一些企業(yè)開(kāi)始將SLAM技術(shù)應(yīng)用到AGV上，借此實(shí)現(xiàn)真正的智能導(dǎo)航。

相比于在AR上的應(yīng)用，SLAM技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域會(huì)有很多的不同，例如，在AR中使用一般更關(guān)注與局部的精度，要求恢復(fù)的相機(jī)運(yùn)動(dòng)避免出現(xiàn)漂移、抖動(dòng)，這樣疊加后的虛擬物體看起來(lái)才能與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景真實(shí)的融合在一起，但在機(jī)器人及無(wú)人駕駛等領(lǐng)域，會(huì)更關(guān)注于全局的精度，需要恢復(fù)整條運(yùn)動(dòng)軌跡，誤差累積不能太大，循環(huán)回路要能閉合，而在某個(gè)局部的漂移、 抖動(dòng)等問(wèn)題往往對(duì)機(jī)器人應(yīng)用來(lái)說(shuō)影響不大。

國(guó)內(nèi)多企業(yè)不斷涌入SLAM技術(shù)領(lǐng)域

隨著SLAM技術(shù)重要性的凸顯，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多企業(yè)紛紛投入SLAM技術(shù)的研發(fā)中，除了一些移動(dòng)機(jī)器人廠商作為自用研發(fā)，也不乏一些企業(yè)專(zhuān)門(mén)提供定位導(dǎo)航模塊。思嵐科技就是其中一家，作為機(jī)器人定位導(dǎo)航技術(shù)的領(lǐng)先企業(yè)，思嵐科技主要以激光SLAM取勝。它是我國(guó)最早將激光SLAM應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人的企業(yè)，為了幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主行走，國(guó)內(nèi)思嵐科技推出了模塊化自主定位導(dǎo)航解決方案SLAMWARE，這套定位導(dǎo)航方案以激光雷達(dá)作為核心傳感器，搭配定位導(dǎo)航控制核心SLAMWARE Core，可使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主定位導(dǎo)航、自動(dòng)建圖、路徑規(guī)劃與自動(dòng)避障等功能。據(jù)了解，該開(kāi)發(fā)套裝具有12米家用版及25米商用版之分，主要區(qū)別在于傳感器測(cè)距范圍的不同，思嵐科技商用版除了25米測(cè)距外，還推出了首款TOF激光雷達(dá)，測(cè)距半徑可達(dá)到40米，能滿(mǎn)足更多更大場(chǎng)景的應(yīng)用，且抗光干擾能力更勝一籌。在室外60Klx的強(qiáng)光下依舊能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測(cè)距及高精度地圖建圖。無(wú)論是室內(nèi)還是室外場(chǎng)景，都能輕松完成任務(wù)。

除了思嵐科技，國(guó)內(nèi)速感科技、布科思、米克力美、高仙、斯坦德等企業(yè)也涌入其中，且大多企業(yè)以激光SLAM為主，畢竟激光SLAM是當(dāng)下最穩(wěn)定、可靠的定位導(dǎo)航方案，而視覺(jué)SLAM將是未來(lái)主流研究方向，不過(guò)未來(lái)兩者融合也將成為一種趨勢(shì)，采用多傳感器融合能做到取長(zhǎng)補(bǔ)短，為市場(chǎng)打造出更好用的定位導(dǎo)航解決方案，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能化進(jìn)程。

總體來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)SLAM技術(shù)無(wú)論是在技術(shù)層面還是應(yīng)用層面仍處于發(fā)展階段，未來(lái)，隨著消費(fèi)刺激及產(chǎn)業(yè)鏈不斷發(fā)展，SLAM技術(shù)將會(huì)有一片更為廣闊的市場(chǎng)。