教学参考-33

教学目标

• 了解动作机器人和移动机器人的区别
• 了解扫地机器人的发展历史，理解“路径规划”对扫地机器人的重要意义
• 了解SLAM算法的基本原理，理解其在无人驾驶汽车、无人机等移动机器人上的应用

教学内容

机器人

• 机器人是人类改造自然的利器。今天，无数机器人在太空探索、火场救援、疾病诊疗等各个领域大显身手。
• 人们通常将人工智能与机器人直接关联起来，事实上绝大多数现有机器人都是按人类编排好的指令在做事，真正具有较高智商的机器人并不多。但是这并不影响它们为人类做事。
• 机器人大致可分两种：动作机器人（如机械臂，机器手），移动机器人（自动驾驶汽车，无人机）。
• 扫地机器人可能是生活中最常见的移动机器人。本节将讨论扫地机器人的原理。

扫地机器人的历

• 1996年伊莱克斯发布的三叶虫扫地机器人是最早的扫地机器人。
• 2002年iRobot家用扫地机器人Roomba，基于螺旋行进和遇障改变方向实现路径选择。
• 2010年, Neato发布Neato XV-11 激光测距扫地机器人，基于SLAM算法进行定位和路径规划。
• 2015年，iRobot推出带摄像头的扫地机器人Roomba 980，利用视觉SLAM算法进行定位。

路径规划

• 扫地机器人的动作部件相对简单。因为工作场景相对平坦，用轮子驱动即可行动自如。清扫部件也比较简单，由毛刷、滚筒和电机组成，滚筒卷起垃圾倒入垃圾盒中。比较困难的是路径规划，即到哪里去清扫的问题。
• 早期扫地机器人多采用随机碰撞的方式来选择清扫路线。机器人从一个位置开始行动，碰到障碍物后以一个随机的角度转向，往新方向继续清扫。显然，这种随机清扫方式效率较低，如果房间较大，障碍物较多，机器人行动起来会很困难，还有可能被堵在一个角落里转不出来。
• 2010后的新款扫地机器人多装有激光测距仪，通过向周围发射激光并接收反射来判断障碍物的方向和远近，以便及时避障。更重要的是，基于这些反射光信息，机器人不仅可以“看”到障碍物，还能同时建立环境地图，并确认自己在图中的位置，这一算法称为SLAM算法（算法细节见下一节）。有了SLAM算法，就可以构造出环境地图，也就可以在清扫开始前规划好路线。
• 新一代机器人不仅装有激光测距，还装上了可见光摄像头。摄像头对周围环境的感知比激光更加精确，对路径的规划也更加合理。

地图构建与定位

• 扫地机器人进入一个新坏境后，对这个环境一无所知，也不知道自己身处何方，如何开工呢？常用办法是给它装上一个传感器，让它能感知周围的环境。有了这个传感器（如激光雷达、摄像头），它就可以观察周围场景并构造出局部地图，同时在图中定位自身的位置。
• 有了局部地图后，机器人可以向未知的地方继续探索，同步扩展地图的覆盖区域，直到整个环境探索完成。这一方法称为同步定位与地图构建算法 (Simultaneous Localization And Mapping，SLAM）。
• 这类似于把一个人置于一个陌生环境中，他开始对这个环境一无所知，但他有眼睛，可以观察，一边走一边把环境探索出来，并在脑海里形成地图。
• SLAM算法是一种基础算法，在无人机、自动驾驶汽车等场景有广泛应用。