激光SLAM 在AGV 平臺(tái)構(gòu)建地圖及處理異常的應(yīng)用

覃 雄，陳家銳

（1.廣西沐邦高科新能源有限公司，廣西 梧州 543000；2.梧州職業(yè)學(xué)院，廣西 梧州 543000）

1 激光SLAM 概述

SLAM 是Simultaneous Localization and Mapping的英文縮寫，即為同步定位與建圖[1]，是AGV 在沒有完全啟動(dòng)之前在環(huán)境中進(jìn)行地圖創(chuàng)建，利用AGV 原有的輪廓激光傳感器對環(huán)境的輪廓進(jìn)行掃描，然后根據(jù)掃描的輪廓生成環(huán)境物理地圖。AGV 依據(jù)生成的輪廓地圖實(shí)現(xiàn)自主定位，通過激光測距并結(jié)合SLAM算法規(guī)劃AGV 行駛的路線。

激光SLAM 建圖主要是依賴于事先離線的地圖文件，因此在SLAM 建圖之前需要確保建圖環(huán)境必須滿足以下的條件：

（1）建圖環(huán)境中的輪廓特征需要顯著突出，有利于AGV 掃掠定位，比如：柱狀物體、長方體等棱角輪廓顯著的物體。

（2）在建圖環(huán)境中，沒有規(guī)模成片影響定位的物體，如透明玻璃、強(qiáng)反射物體、大型網(wǎng)狀物體等，在此類環(huán)境中SLAM 建圖容易引發(fā)AGV 定位失誤，AGV走偏等非正?，F(xiàn)象。

（3）SLAM 建圖結(jié)束后，建圖環(huán)境不能變動(dòng)太大，否則影響使用。如工廠有大體積物體在建圖后進(jìn)入，就要實(shí)施人員重新建圖。

（4）針對長距離的連續(xù)走廊環(huán)境，由于左右兩邊環(huán)境輪廓掃掠結(jié)果一樣，SLAM 建圖極其容易發(fā)生定位異常，在這種環(huán)境下建圖時(shí)需要實(shí)施人員提前對環(huán)境進(jìn)行改造，在不同區(qū)域放置不同外形的物品，確保走廊不同位置掃掠輪廓具有明顯差異，避免出錯(cuò)。

（5）SLAM 定位的精度沒有二維碼定位精確度高，并且SLAM 定位比較適用對定位精度要求不高的環(huán)境，對于密集型倉儲(chǔ)的環(huán)境不建議使用SLAM定位。

（6）第一次進(jìn)行SLAM 建圖時(shí)，實(shí)施人員要將全部環(huán)境區(qū)域進(jìn)行一次掃描：一是實(shí)施人員可使用SLAM 建圖小推車，二是實(shí)施人員也可以進(jìn)行遙控AGV 移動(dòng)的方式進(jìn)行。需要特別注意是，進(jìn)行建圖掃描時(shí)，必須要盡量覆蓋到所有AGV 行走路徑區(qū)域，對于特別關(guān)鍵位置務(wù)必進(jìn)行重點(diǎn)掃描，并且所掃描的路線必須閉環(huán)，閉環(huán)區(qū)域要預(yù)留一定面積，最理想狀態(tài)是一個(gè)外凸形狀，從而提高SLAM 定位的精確度[2]。

（7）地圖構(gòu)建結(jié)束后，如果每次場地環(huán)境變更較大時(shí)需要重新對原有地圖進(jìn)行修改或補(bǔ)充，主要是確保構(gòu)建的地圖與現(xiàn)場環(huán)境的吻合度一致，以提高SLAM 定位的精度。

2 SLAM 在線建圖方法及步驟

SLAM 建圖一般分為在線建圖和離線建圖兩種方法。在線建圖是指在建圖時(shí)，AGV 小車激光數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到建圖客戶端進(jìn)行定位數(shù)據(jù)處理，即時(shí)創(chuàng)建地圖[3]。經(jīng)過系列應(yīng)用及實(shí)戰(zhàn)研究，以M 公司應(yīng)用研究為例，得出SLAM 在線建圖的方法及步驟如下：

（1）檢查IP 地址。確保AGV 小車端IP 與電腦端IP 要在同一個(gè)網(wǎng)段。在線建圖前的準(zhǔn)備，由于激光采集的數(shù)據(jù)信息量很大，所以需要利用通信數(shù)據(jù)線將AGV 和電腦連接起來，這里要特別注意。

（2）連接SLAM 客戶端。雙擊“EXE 啟動(dòng)按鈕”，在頁面中點(diǎn)擊“設(shè)置”選項(xiàng)，選擇“顯示機(jī)器人面板”，然后調(diào)出AGV 的登錄界面。在AGV 界面中對應(yīng)輸入AGV 的固定IP，端口碼通常為默認(rèn)，無需變動(dòng)，然后點(diǎn)擊“連接小車”選項(xiàng)，在完成客戶端與小車的連接之后，界面就會(huì)顯示出AGV 小車信息的界面。

（3）工作模式選擇?！肮ぷ髂Ｊ健币x擇“構(gòu)建地圖”選項(xiàng)的模式，假設(shè)當(dāng)前顯示是其他工作模式時(shí)，AGV 小車會(huì)自動(dòng)進(jìn)行重啟，此時(shí)需要等待AGV 啟動(dòng)結(jié)束后，再進(jìn)行一次連接客戶端操作。

（4）修改激光配置信息。點(diǎn)擊“設(shè)置”，找到“激光配置”信息，需要確認(rèn)板面上顯示的激光參數(shù)要與實(shí)際AGV 激光參數(shù)保持一致；如果不一致，需要修改，并點(diǎn)擊“修改配置”選項(xiàng)進(jìn)行保存。

（5）在線采集。完成以上操作之后，可以在SLAM客戶端頁面中點(diǎn)擊“在線采集”選項(xiàng)，這樣實(shí)施人員就可以進(jìn)行建圖了。

注意事項(xiàng)：①進(jìn)行建圖前需確保AGV 小車與環(huán)境邊界平行，防止建好的地圖與實(shí)際環(huán)境邊界形成角度；②實(shí)施人員注意緩慢勻速推動(dòng)AGV 小車前進(jìn)，需要將AGV 行走路徑區(qū)域的環(huán)境要全部掃描到位；③掃描到有轉(zhuǎn)彎環(huán)境時(shí)，要保證AGV 小車有足夠大的運(yùn)行軌跡弧線，掃描完成時(shí)的終點(diǎn)要和起始位置要求形成一個(gè)具有圓形的閉環(huán)；④完成采集后要及時(shí)保存。

3 建圖結(jié)果檢驗(yàn)

3.1 地圖一致性檢驗(yàn)

通常是在實(shí)施人員完成建圖后，就需要對所建的地圖進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，其主要目的是為了避免存在異常輪廓數(shù)據(jù)地圖被使用，導(dǎo)致AGV 導(dǎo)航定位發(fā)生異常[4]。經(jīng)過研究，總結(jié)出主要判定原則，讓SLAM 地圖構(gòu)建者更好地對已構(gòu)建的地圖進(jìn)行評價(jià)，確定地圖的可用性，避免構(gòu)建存在有異?；虿豢捎玫牡貓D。因此需要對地圖進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

所謂的地圖一致性，可以解釋為同一物體在地圖中應(yīng)當(dāng)只存在一個(gè)輪廓特征與之對應(yīng)，即地圖輪廓數(shù)據(jù)的唯一性。地圖一致性是判斷地圖構(gòu)建結(jié)果最關(guān)鍵指標(biāo)之一，主要用于檢驗(yàn)建圖的重復(fù)精度。地圖出現(xiàn)不一致的根本原因是AGV 經(jīng)過同一位置時(shí)的定位結(jié)果差異較大，導(dǎo)致映射到地圖上本應(yīng)是相同輪廓的物體處于不同的位置現(xiàn)象。地圖一致性不達(dá)標(biāo)原因有：

（1）未進(jìn)行閉環(huán)檢測導(dǎo)致地圖不一致。當(dāng)同一物體構(gòu)建出了兩個(gè)輪廓時(shí)，這種情況就是最常見的地圖不一致現(xiàn)象。當(dāng)這種情況出現(xiàn)時(shí)，一般是因?yàn)樵诓杉瘮?shù)據(jù)構(gòu)建地圖時(shí)實(shí)施人員沒有及時(shí)進(jìn)行閉環(huán)操作，從而導(dǎo)致累積誤差一直存在，沒有消除的累積誤差直接造成地圖的不一致。

（2）閉環(huán)檢測出錯(cuò)導(dǎo)致地圖不一致。此外，錯(cuò)誤的閉環(huán)檢測也會(huì)有可能導(dǎo)致建圖的不一致。例如在較長走廊環(huán)境構(gòu)建地圖時(shí)，就會(huì)極其容易出現(xiàn)錯(cuò)誤閉環(huán)檢測。小車在長走廊內(nèi)發(fā)生“綁架”，導(dǎo)致地圖構(gòu)建結(jié)果的不一致。這種情況即使閉環(huán)也無法消除誤差，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，需要在長走廊內(nèi)粘貼反光板并重新采集數(shù)據(jù)進(jìn)行建圖或者在長走廊放置不同的標(biāo)識(shí)物體，借助反光板輔助定位來避免AGV 被“綁架”，如圖1所示。

圖1 AGV 被“綁架”現(xiàn)象的典型地圖

3.2 地圖絕對位置檢驗(yàn)

地圖的絕對位置檢驗(yàn)主要用于檢驗(yàn)地圖的絕對精度。通常由于測量手段存在的缺陷，一般來說，這種檢驗(yàn)需要借助現(xiàn)場已有的精準(zhǔn)尺寸的布局圖或CAD圖紙結(jié)合來進(jìn)行評估。但是，由于遮擋的原因，布局圖或CAD 圖紙上的墻壁在SLAM 地圖中的輪廓可能會(huì)不完整，這也會(huì)對評估絕對位置造成一定的影響。

4 建圖異常環(huán)境評估及改造

當(dāng)AGV 在實(shí)際工作運(yùn)行中頻繁出現(xiàn)異常的時(shí)候，尤其是在雷達(dá)激光測量出現(xiàn)異常情況時(shí)，比如存在鐵絲網(wǎng)、細(xì)小物體、網(wǎng)體的工作環(huán)境，在這種環(huán)境中頻繁出現(xiàn)激光檢測異常時(shí)，則需要對工作環(huán)境進(jìn)行改造后，才能保證激光測量的穩(wěn)定性，提高SLAM 定位的穩(wěn)定性。

4.1 細(xì)小物體導(dǎo)致的建圖異常及改善措施

異常原因：通常來說，為保證激光回波數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，激光光束截面一般都呈現(xiàn)一個(gè)錐形測量的光斑，且隨著激光距離的增大，維形光斑尺寸隨著增大，以保證遠(yuǎn)距離的障礙物也有足夠的回波以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的距離測量?；谶@種測距原理方式，當(dāng)被測物體的尺寸小于激光光斑大小，表明該物體的反射面較小，反射較弱，容易導(dǎo)致激光測量的不穩(wěn)定。針對這種環(huán)境導(dǎo)致的異常情況，需要做的措施是：可以在鐵絲網(wǎng)或者細(xì)小物體存在區(qū)域固定上普通材質(zhì)的板材，加大被測物體面積尺寸；或者在環(huán)境中合適位置貼上反光板，利用反光板來輔助檢測定位，提高激光測量的穩(wěn)定性[5]。

4.2 透明物體導(dǎo)致的建圖異常及改善措施

在建圖環(huán)境中，當(dāng)環(huán)境存在比較透明物體時(shí)，比如玻璃物體，將會(huì)產(chǎn)生異常，異常機(jī)理如圖2 所示。

圖2 透明環(huán)境的異常機(jī)理

（1）異常原因：①當(dāng)激光的檢測光束打到玻璃物時(shí)，因玻璃是透光，只有小部分脈沖能量被玻璃立即反射回去，而大部分脈沖則會(huì)投射到靠玻璃后方的物體上；②如果玻璃后方反射物體的回波強(qiáng)度比玻璃回波強(qiáng)度大時(shí)，則激光返回的測距結(jié)果就為后方物體的測量距離，反之則為玻璃的測量距離；③如①、②所述，在這種環(huán)境場合情況下，容易導(dǎo)致激光測量的物體距離存在不確定性因素，進(jìn)而也會(huì)導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定。綜上所述，對存在透明物體的環(huán)境，導(dǎo)致建圖異常的根本原因就是材料透光性[6]。

（2）異常處理方法：為了解決透明物體透光特性，避免激光SLAM 檢測異常，最有效的方法就是：①在透明物體區(qū)域貼上不透明或者半透明指定材質(zhì)，以用來保證激光光束不能全部透射過去，提高測量穩(wěn)定性；②在環(huán)境中合適位置貼上反光板，輔助定位?？傊?，就是讓透明的物體改造成不透明或半透明或漫反射表面。

4.3 鏡面反射導(dǎo)致的建圖異常及改善措施

在建圖環(huán)境中，可能存在容易發(fā)生鏡面反射的物體，如反射鏡子、光亮不銹鋼等[7]。

異常原因：當(dāng)激光光束打到鏡面反射較強(qiáng)的物體時(shí)，大部分脈沖能量被鏡面反射到另一個(gè)方向，此時(shí)如果激光入射角較大的時(shí)候，反射波角度與入射波差異很大，導(dǎo)致激光雷達(dá)無法接收到反射波激光測距無效。因此，在存在鏡面反射情景建圖時(shí)，容易導(dǎo)致建圖異常，應(yīng)該避免。

異常處理方法：在鏡面反射區(qū)域貼上不透明或者半透明指定材質(zhì)（一般為漫反射）的貼紙，以保證激光光束不能透射過去，提高測量穩(wěn)定性[8]：或者在環(huán)境中合適位置貼上反光板，輔助定位，提高SLAM 定位精確度。

5 導(dǎo)致激光SLAM 導(dǎo)航算法異常的場景

5.1 環(huán)境頻繁變化的場景

異常原因：激光SLAM 定位基于當(dāng)前觀測激光輪廓數(shù)據(jù)與事先構(gòu)建完成的SLAM 地圖進(jìn)行匹配得到，當(dāng)場景變動(dòng)頻繁時(shí)，這種情況極其容易導(dǎo)致觀測的激光輪廓數(shù)據(jù)與SLAM 地圖重合度較低，降低激光SLAM 定位精度。尤其是在倉儲(chǔ)環(huán)境下，因?yàn)閭}庫里面的貨架、AGV 較多、以及AGV 相互間遮擋激光數(shù)據(jù)等，且有效特征輪廓也比較少，這種環(huán)境下的激光SLAM 定位精度也不高。

解決方案：在倉儲(chǔ)環(huán)境這種高密度環(huán)境一般不建議使用激光SLAM 導(dǎo)航方式，例如采購固定磁條軌跡導(dǎo)航方案。

5.2 激光發(fā)射面高度附近輪廓差異大

異常原因：由于激光束為逐漸擴(kuò)張的錐形，由于AGV 車身抖動(dòng)、地面起伏不平、激光傾角等因素，可能會(huì)導(dǎo)致激光測量光斑在測量點(diǎn)附近上下擺動(dòng)。因此，當(dāng)激光測到上下不一致的物體時(shí)，因激光光斑的移動(dòng)導(dǎo)致不同位置激光測量的實(shí)際點(diǎn)位產(chǎn)生較大偏差，激光呈現(xiàn)不規(guī)則形狀。

解決方案：像這種問題應(yīng)盡量在產(chǎn)品設(shè)計(jì)層面解決，保證激光傾角在合適范圍（上翹0.5°左右），并且激光安裝高度盡量在輪廓穩(wěn)定的高度附近。當(dāng)SLAM AGV 車型已經(jīng)確定，建圖實(shí)施人員應(yīng)當(dāng)評估現(xiàn)場機(jī)臺(tái)高度、場地環(huán)境的輪廓，特別是激光高度附近的輪廓，確定SLAM 激光測量高度附近輪廓的穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

對激光SLAM 在AGV 平臺(tái)構(gòu)在線建圖的應(yīng)用及研究得到：（1）提出SLAM 構(gòu)建地圖準(zhǔn)備工作要點(diǎn)以及SLAM 建圖結(jié)果可用性評價(jià)關(guān)鍵點(diǎn)；（2）提出SLAM建圖環(huán)境異常原因及改進(jìn)解決方案；（3）提出導(dǎo)致激光SLAM 導(dǎo)航算法異常的場景。研究成果對于激光SLAM 構(gòu)建地圖實(shí)施者具有一定的學(xué)習(xí)指導(dǎo)意義。

此外，為了進(jìn)一步改善激光SLAM 在AGV 平臺(tái)構(gòu)建地圖精度及效率，需要從實(shí)施技術(shù)、組織管理、技術(shù)推廣培訓(xùn)等多方面入手。提高項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)水平，是根本上提高地圖精度及建圖效率的方法。通過組織管理，避免生產(chǎn)過程、來料過程、倉庫存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)對激光SLAM 在AGV 平臺(tái)構(gòu)建地圖產(chǎn)生精度影響，可以減少約90%環(huán)境因素的誤判。技術(shù)推廣培訓(xùn)，則是讓生產(chǎn)全員提高技術(shù)素養(yǎng)，避免生產(chǎn)工認(rèn)識(shí)不足導(dǎo)致誤操作，避免造成人為錯(cuò)誤。全方位綜合提升，才是解決建圖異常問題最有效最根本的手段。