电子神越女学 智能机器人原理与实践 导航与路径规划 骆德渊博士、教投 电子科技大学机械与电气工程学院副院长 电子科技大学机器人队总教练
1 导航与路径规划
德仓创机器人 Dechuang Robot 8.机器人导航与路径规划 概述 机器人能在其服务的环境中自主行走到达 Where am I? 环境认知与机器人定位 其服务位置是智能机器人的重要基础功能 ,也是衡量机器人智能化水平高低的重要 因素，该功能称为自主导航与路径规划， 即机器人在自身位置不确定的条件下，在完 全未知环境中创建地图，同时利用地图进行 自主定位和导航，可描述为机器人在未知 导航 环境中从一个未知位置开始移动，在移动过 程中根据位置估计和传感器数据（测量) 路径规划 How do I Where am go there? I going? 目标识别 进行自身定位，同时建造增量式地图。 机器人需要依靠自身传感系统对内部姿态和外部环境信息进行感知，通过对环境空间 信息的存储、识别、搜索等操作寻找最优或近似最优的无碰撞路径并实现安全运动
8.机器人导航与路径规划 3 机器人能在其服务的环境中自主行走到达 其服务位置是智能机器人的重要基础功能 ，也是衡量机器人智能化水平高低的重要 因素，该功能称为自主导航与路径规划， 即机器人在自身位置不确定的条件下,在完 全未知环境中创建地图,同时利用地图进行 自主定位和导航，可描述为机器人在未知 环境中从一个未知位置开始移动,在移动过 程中根据位置估计和传感器数据（测量） 进行自身定位,同时建造增量式地图。 导航 Where am I？ Where am I going？ How do I go there？ 环境认知与机器人定位 路径规划 目标识别 机器人需要依靠自身传感系统对内部姿态和外部环境信息进行感知，通过对环境空间 信息的存储、识别、搜索等操作寻找最优或近似最优的无碰撞路径并实现安全运动。 概 述
德仓创机器人 Dechuang Robot 8.机器人导航与路径规划 概述 磁导航 引导电缆 室内 陀螺仪 导航环境 惯性导航 室外 加速度计 导航分类 导航方式 基于地图的 结构化 导航 导航环境 非结构化 视觉导航 基于创建地 图的导航 卫星导航 无地图的导航
8.机器人导航与路径规划 4 导航环境 室内 室外 导航环境 结构化 非结构化 导航方式 磁导航 引导电缆 惯性导航 陀螺仪 加速度计 视觉导航 基于地图的 导航 基于创建地 图的导航 卫星导航 无地图的导航 导航分类 概 述
德仓创机器人 Dechuang Robot 8.机器人导航与路径规划 概述 一一一摄像头 红外测距 测 目标位姿 初始位姿 传感器 超声测距 接受任务 全局路径 00】 规划 (x,%,8) 激光雷达 特征提取 构造地图 路径规 局部路径 规划 建 路径规划 地图匹配 参考轨迹 生成器 (y, 3,8,） 盔 车体运动 实时数据处理 控制器 民， (信息融合) SLAM u=(,2) 定位 建图 运动控制 车体动力 学补偿 位姿估计 车体 测量位姿、速度 运动学 x,y,8,v) 里程计
8.机器人导航与路径规划 5 接受任务 全局路径 规划 局部路径 规划 参考轨迹 生成器 车体运动 控制器 车体动力 学补偿 车体 运动学 里程计 位姿估计 实时数据处理 （信息融合） 地图匹配 特征提取 传感器 构造地图 红外测距 超声测距 激光雷达 摄像头 测量位姿、速度 目标位姿 初始位姿 0 0 0 ( , , ) x y ( , , , ) t t t t x y v 1 2 ( , ) v v 1 2 u v v ( , ) 1 2 ˆ ( , , ) x y ˆ ˆ ( , , , ) x y v ( , , ) c c c x y 路 径 规 划 运 动 控 制 测 量 定 位 建 图 定 位 建 图 路 径 规 划 SLAM 概 述
德仓创机器人 Dechuang Robot 8.机器人导航与路径规划 概述 国地卡2、g四生 蜜收学知只 生过书 得在址十地行 2生eA 理料州人 1ag家在书2Ln队园 天化 生球填一 七n(线生一小物卡州时上种线中用一年上 量题 e维道 型不角 C出线化) 75里城无七》 超物经人意中位2以轨（地1 应用场 工性题人控中然国m生AGY的】 1生e心now达） 大果世u全■：宝a7华 SLAM知识对 aa、4 m 水达 公开收据编 单目T L se) Ert想1 》 PL生n件m2m口生 想e中omo时口生 用型开摩方聚 风卡7 物业知织 0 重电人七花5内1十》
8.机器人导航与路径规划 6 概 述 机器人自主导航与路径规划 涉及矩阵、李群代数、概率 与数理统计等数学知识；涉 及LINUX操作系统、ROS机器 人操作系统、开发环境等编 程环境；还涉及机器视觉等 机器人众多专业知识
德仓创机器人 Dechuang Robot 8.机器人导航与路径规划 地图 地图是对环境结构的几何描述，是机器人自主定位与导航的基础。地图既可以是事先测绘好（离线建图） 也可以是依靠机器人上搭载的传感器测量（在线测绘)得到。 拓扑图 特征图 网格图 b 直接表征法 地图 路标图 CRH 点云图 CRH 认知地图 n 混合地图 号年4年40￥4LA4AL
8.机器人导航与路径规划 7 地 图 地图是对环境结构的几何描述，是机器人自主定位与导航的基础。地图既可以是事先测绘好（离线建图） ，也可以是依靠机器人上搭载的传感器测量（在线测绘）得到。 地图 拓扑图 特征图 网格图 直接表征法 路标图 点云图 认知地图 混合地图 拓扑图把环境建模为一张线图表示，忽略了具体的几何特征信息，不必精确 表示不同节点间的地理位置关系，使用关键帧作为地图的节点，关键帧之间 共同的数据关联作为地图的边。 地铁、公交路线图均是典型的拓扑地图实例，其中停靠站为节点，节点间的 通道为边。在一般的办公环境中，拓扑单元有走廊和房间等，而打印机、桌 椅等则是功能单元。连接器用于连接对应的位置，如门、楼梯、电梯等。 拓扑图可用作路径规划，因缺少度量信息，不适用于导航
德仓创机器人 Dechuang Robot 8.机器人导航与路径规划 地图 地图是对环境结构的几何描述，是机器人自主定位与导航的基础。地 天府广场 也可以是依靠机器人上搭载的传感器测量（在线测绘)得到。 拓扑图 特征图是在结构化环境中，用直线段、角、边兽 特征图 参数表示。 网格图 城市交通图是典型的特征图实例，依靠测距传 人进行定位。 直接表征法 地图 特征法定位准确，模型易于由计算机描述和表方 路标图 轨迹控制，但特征法需要特征提取等预处理过 点云图 高度结构化环境。 认知地图 混合地图
8.机器人导航与路径规划 8 地 图 地图是对环境结构的几何描述，是机器人自主定位与导航的基础。地图既可以是事先测绘好（离线建图） ，也可以是依靠机器人上搭载的传感器测量（在线测绘）得到。 特征图是在结构化环境中，用直线段、角、边等特征的颜色、长度、宽度、位置等 参数表示。 城市交通图是典型的特征图实例，依靠测距传感器，以人工标识或自然标识对机器 人进行定位。 特征法定位准确，模型易于由计算机描述和表示，参数化特征也适用于路径规划和 轨迹控制，但特征法需要特征提取等预处理过程，对传感器噪声比较敏感，只适于 高度结构化环境。 地图 拓扑图 特征图 网格图 直接表征法 路标图 点云图 认知地图 混合地图
德仓创机器人 Dechuang Robot 8.机器人导航与路径规划 地图 地图是对环境结构的几何描述，是机器人自主定位与导航的 也可以是依靠机器人上搭载的传感器测量（在线测绘）得影 拓扑图 网格图（栅格地图）是把机器， 特征图 单元代表环境的一部分，每一 碍物占据的可能性大小。 网格图 网格图（栅格地图）对某个网使 直接表征法 地图 机器人对所测得的障碍物具体 路标图 分比较细时，网格法计算量迅逻 点云图 网格图（栅格地图）适用于导航 (加权平均法、D-S证据推理法 认知地图 混合地图
8.机器人导航与路径规划 9 地 图 地图是对环境结构的几何描述，是机器人自主定位与导航的基础。地图既可以是事先测绘好（离线建图） ，也可以是依靠机器人上搭载的传感器测量（在线测绘）得到。 网格图（栅格地图）是把机器人的工作空间划分成网状结构，网格中的每一 单元代表环境的一部分，每一个单元都分配了一个概率值，表示该单元被障 碍物占据的可能性大小。 网格图（栅格地图）对某个网格的感知信息可直接与环境中某个区域对应， 机器人对所测得的障碍物具体形状不太敏感。当在大型环境中或网格单元划 分比较细时，网格法计算量迅速增长，内存需求大，实时处理困难。 网格图（栅格地图）适用于导航、路径规划、路径探索。易融合多传感器信息 （加权平均法、D-S证据推理法）。 地图 拓扑图 特征图 网格图 直接表征法 路标图 点云图 认知地图 混合地图
德仓创机器人 Dechuang Robot 8.机器人导航与路径规划 地图 地图是对环境结构的几何描述，是机器人自主定位与导航的基础。地图既可以是事先测绘好（离线建图） 也可以是依靠机器人上搭载的传感器测量（在线测绘)得到。 拓扑图 直接表征法是通过记录来自不同位置及方向的环境外观感知数据，包括某些 特征图 坐标、几何特征或符号信息，是这些位置处的环境特征描述。 网格图 直接表征法从所获取的传感器数据中创建一个函数关系以精确地确定机器人 直接表征法 的位姿。 地图 直接表征法数据存贮量大，环境噪声干扰严重，特征数据的提取与匹配困难 路标图 ，其应用受到一定限制。 点云图 认知地图 混合地图 10
8.机器人导航与路径规划 10 地 图 地图是对环境结构的几何描述，是机器人自主定位与导航的基础。地图既可以是事先测绘好（离线建图） ，也可以是依靠机器人上搭载的传感器测量（在线测绘）得到。 直接表征法是通过记录来自不同位置及方向的环境外观感知数据，包括某些 坐标、几何特征或符号信息，是这些位置处的环境特征描述。 直接表征法从所获取的传感器数据中创建一个函数关系以精确地确定机器人 的位姿。 直接表征法数据存贮量大，环境噪声干扰严重，特征数据的提取与匹配困难 ，其应用受到一定限制。 地图 拓扑图 特征图 网格图 直接表征法 路标图 点云图 认知地图 混合地图
德仓创机器人 Dechuang Robot 8.机器人导航与路径规划 地图 地图是对环境结构的几何描述，是机器人自主定位与导航的基础。地图既可以是事先测绘好（离线建图） ，也可以是依靠机器人上搭载的传感器测量（在线测绘） 得到。 拓扑图 特征图 路标图使用一系列离散的三维路标描述环境，也称为稀疏地图。 网格图 优点：地图只包含有限数量的路标，因此只需要较少的计算量和存储空间。 直接表征法 地图 缺点：环境信息较少，不适用于导航和避障。而且路标必须存在大量显著地特征。 路标图 点云图 认知地图 混合地图 11
8.机器人导航与路径规划 11 地 图 地图是对环境结构的几何描述，是机器人自主定位与导航的基础。地图既可以是事先测绘好（离线建图） ，也可以是依靠机器人上搭载的传感器测量（在线测绘）得到。 路 标 图 使 用 一 系 列 离 散 的 三 维 路 标 描 述 环 境 ， 也 称 为 稀 疏 地 图 。 优点：地图只包含有限数量的路标，因此只需要较少的计算量和存储空间。 缺点：环境信息较少，不适用于导航和避障。而且路标必须存在大量显著地特征。 地图 拓扑图 特征图 网格图 直接表征法 路标图 点云图 认知地图 混合地图
