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SLAM技術分享 (輪型機器人的移動議題)
- 1. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室淡江大學電機工程學系/ 智慧型控制實驗室I.C. LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 SLAM技術分享 分享人：陳功瀚 Simultaneous Localization and Mapping 同時定位與地圖建置
- 2. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 大綱 輪型機器人的移動議題 Navigation and SLAM 路徑規劃 定位問題 3D 雷射測距儀 定位方法 – 里程計 定位方法 – 粒子濾波器 SLAM Gmapping Hector SLAM Cartographer P-2/45
- 3. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 輪型機器人的移動議題 P-3/45 馬達控制 運動學 差動式、全向輪、麥克納姆輪 二輪、三輪、四輪 路徑規劃 (Path Planning) 機器人如何從A點移動到B點？遇到障礙物怎麼辦？ 定位問題 (Localization) 機器人必須知道自己的位置 (與地圖的關係) 地圖建置 (Mapping) 機器人知道自己與環境的關係，例如在客廳、在房間 更精確知道，機器人在地圖上的哪一個點
- 4. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Navigation and SLAM P-4/45 Navigation and SLAM
- 5. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 路徑規劃 路徑規劃 (Path Planning) 起點到終點 A*搜尋演算法 必須在地圖已知下才能進行 啟發式搜尋演算法 常用於遊戲中 VFF(Virtual Force Field) 可用於未知環境下 (未知地圖) 目標點(終點)作為引力，障礙物作為斥力 動態視窗法(DWA, Dynamic Window Approach) 全域規劃一條路徑後，輔以動態視窗方法，協助避障 P-5/45
- 6. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 路徑規劃 - A*搜尋演算法 A*搜尋演算法 必須在地圖已知下才能進行 啟發式搜尋演算法 P-6/45 http://www.policyalmanac.org/games/aStarTutorial.htm
- 7. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 路徑規劃 - VFF (Virtual Force Field) VFF (Virtual Force Field) 可用於未知環境 (未知地圖) 終點作為引力， 障礙物作為斥力 缺點： 有可能引力與斥力 相當時，陷入震盪 P-7/45 圖VFF
- 8. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 路徑規劃-結合A*之動態視窗法(DWA) 結合A*之動態視窗法(DWA) 先使用A*規劃一條全域路徑 根據現在的狀況進行區域修正 例如有障礙物 P-8/32 • 不需考慮感測器雜訊 • 省去複雜的距離運算 • 更有效的抵達目標點 起點 目標點動態視窗 所有預測路徑 pdis gdis 全域路徑 與全域路徑距離 與區域終點距離 αdwa* , βdwa* , γdwa*: 權重值 σ: 正規化係數 i = 1 , 2 , 3 , … , nvel j = 1 , 2 , 3 , … , nrot k = 1 , 2 , 3 , … , ntraj 於ROS之地圖建置與探索系統設計，黃文鴻，2016 B. P. Gerkey, and K. Konolige, “Planning and control in unstructured terrain,” IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2008.
- 9. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 定位問題 (Localization) 室外定位 使用GPS 室內定位-佈置大量感測器 Wifi定位 ZigBee 藍芽定位 Beacon 室內定位-僅將感測器裝置在機器人上 紅外線 (Infrared, IR)、超音波 (Ultrasonic) 雷射測距儀 (LiDAR) 馬達編碼器 (Encoder) 攝影機 (Camera) P-9/45
- 10. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 定位問題 – 距離感測器 距離感測器 感測器發射訊號(波)，根據訊號的反射時間，推算距離 紅外線 (Infrared, IR)、超音波 (Ultrasonic) 雷射測距儀 (LiDAR) 精準度 雷射測距儀 >紅外線 、超音波 雷射測距儀優點 精準度相當高 雷射測距儀缺點 價格昂貴 遇玻璃等物品無法推估距離 P-10/45 Hokuyo，2D雷射測距儀
- 11. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 3D 雷射測距儀 可建置3D的地圖 價格非常昂貴 自動駕駛車上常用 3D 雷射測距儀 P-11/45 Velodyne，3D雷射測距儀系列產品 Ford自動駕駛車上安裝多顆
- 12. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 3D 雷射測距儀 使用3D LiDAR建置3D地圖 3D 雷射測距儀 P-12/45
- 13. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 里程計 藉由馬達的編碼器或外掛的感測器， 得知目前輪胎所移動距離 藉由正運動學，得知目前機器人移動距離 普通輪、全向輪、麥克納姆輪 二輪、三輪、四輪 以上不同的組合，運動學皆不相同 優點：便宜，易計算 缺點：會有累計誤差 走久了，會越來越不準 定位方法 – 里程計 P-13/45 普通輪 全向輪 麥克納姆輪
- 14. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 蒙地卡羅方法 摩納哥中有一個 大賭場在蒙地卡羅 使用機率的方式， 估算出目標模型 例如右方的1/4圓， 假設我們不知道圓面積的 公式πr 2 我們可以撒很多的粒子 來估算出我們的模型 定位方法 – 粒子濾波器 P-14/45 https://zh.wikipedia.org/wiki/蒙地卡羅方法 使用蒙特卡罗方法估算π值. 放置30000個隨 機點後,π的估算值與真實值相差0.07%.
- 15. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 粒子濾波器定位法 在已知地圖下使用 在地圖上，撒大量粒子 每顆粒子，代表位置與車頭角度 配合感測器 里程計 (配合馬達編碼器，得知機器人移動距離) 距離感測器 (雷射測距儀、紅外線、超音波…等) 步驟 移動，由里程計知道機器人移動距離 感測距離，由感測器知道機器人與周圍環境360度距離 將移動量與感測距離放到每顆粒子上 將相似的粒子留著，淘汰不相似的粒子 定位方法 – 粒子濾波器 P-15/45
- 16. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Particle Filter Example (1/14) Example: Calibration & Localization Procedure 機器人專論 何丞堯 P-16/45
- 17. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Particle Filter Example (2/14) 機器人專論 何丞堯 P-17/45
- 18. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Particle Filter Example (3/14) 機器人專論 何丞堯 P-18/45
- 19. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Particle Filter Example (4/14) 機器人專論 何丞堯 P-19/45
- 20. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Particle Filter Example (5/14)
- 21. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Particle Filter Example (6/14) 機器人專論 何丞堯 P-21/45
- 22. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Particle Filter Example (7/14) 機器人專論 何丞堯 P-22/45
- 23. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Particle Filter Example (8/14) 機器人專論 何丞堯 P-23/45
- 24. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Particle Filter Example (9/14) 機器人專論 何丞堯 P-24/45
- 25. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Particle Filter Example (10/14) 機器人專論 何丞堯 P-25/45
- 26. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Particle Filter Example (11/14) 機器人專論 何丞堯 P-26/45
- 27. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Particle Filter Example (12/14) 機器人專論 何丞堯 P-27/45
- 28. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Particle Filter Example (13/14) 機器人專論 何丞堯 P-28/45
- 29. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Particle Filter Example (14/14) 機器人專論 何丞堯 P-29/45
- 30. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 SLAM Simultaneous Localization and Mapping 同時定位與地圖建置 簡單分成二大類 Laser SLAM 使用距離感測器，也可以是紅外線或超音波 Visual SLAM (vSLAM) 使用攝影機(RGB)或深度攝影機(RGBD) SLAM P-30/45
- 31. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 SLAM OpenSLAM http://openslam.org/ 很多開源專案 提供使用 P-31/45
- 32. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 GMapping Grid Mapping with Rao-Blackwellized Particle Filters Giorgio Grisetti, Cyrill Stachniss, and Wolfram Burgard: Improved Techniques for Grid Mapping with Rao- Blackwellized Particle Filters, IEEE Transactions on Robotics, Volume 23, pages 34-46, 2007 原始碼 http://openslam.org/gmapping.html ROS版本：http://wiki.ros.org/gmapping 輸入 雷射測距儀 (LiDAR) 里程計 (Odometry) P-32/45
- 33. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 GMapping ROS with the gmapping package P-33/45 https://www.youtube.com/watch?v=khSrWtB0Xik
- 34. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Hector SLAM Hector(Heterogeneous Cooperating Team of Robots) SLAM(Simultaneous Localization and Mapping) 由德國Hector實驗室所開發的演算法 一套僅用雷射的同時定位與地圖建置的系統 低耗能、即時性、有良好的濾雜訊效果 ROS套件位置 http://wiki.ros.org/hector_slam P-34/45
- 35. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Hector SLAM Handheld Mapping System in the RoboCup 2011 Rescue Arena P-35/45 https://www.youtube.com/watch?v=F8pdObV_df4
- 36. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Cartographer Cartographer Google 開發 Cartographer is a system that provides real-time simultaneous localization and mapping (SLAM) in 2D and 3D across multiple platforms and sensor configurations. Github https://github.com/googlecartographer P-36/45
- 37. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Cartographer Cartographer 3D SLAM Demo P-37/45 https://www.youtube.com/watch?v=DM0dpHLhtX0
- 38. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 Cartographer、Hector、Gmapping比較 ROS - Google Cartographer Hector SLAM and GMapping SLAM Hokuyo 2D-Laserscanne P-38/45 https://www.youtube.com/watch?v=7iM2ynZEuf0
- 39. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 SLAM應用 AGV Automated Guided Vehicle 近二年非常紅的議題 傳統使用有軌式的(通常是磁條) 未來導入無軌式的使用SLAM P-39/45 https://www.youtube.com/watch?v=-Ld-Crjg7tk 有軌式的AGV車
- 40. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 SLAM應用 AGV- SLAM示意 P-40/45 SLAM Technology by DS AUTOMOTION https://www.youtube.com/watch?v=TG-7ZQumjNs
- 41. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 SLAM應用 AGV-ROS P-41/45 AGVS ROS https://www.youtube.com/watch?v=TKDtkkpsuiw
- 42. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 SLAM應用 P-42/45 iRobot 掃地機器人 避免盲掃 小米 Dyson
- 43. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 SLAM應用 掃地機器人建立的地圖 避免盲掃 亮藍是房間輪廓(障礙物) 黃線是走過路徑 先掃描整體環境，再走Z 字型 在某些情況下還是會迷路 避免在地上放電源線 機器人可能會捲進去 使用時會關門 圍在一個區域，房間與房間 會有一個小台階，一邊有地墊 一邊沒有 P-43/45
- 44. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 SLAM應用 Zenbo的地圖建置 P-44/45 http://kmpic.asus.com/images/2017/02/19/f124d51d-f9c7-429f- a138-ee61c68efd22.jpg
- 45. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室淡江大學電機工程學系/ 智慧型控制實驗室I.C. LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 謝 謝 指 教
- 46. 淡江大學電機工程學系 / 智慧型控制實驗室I.C.LAB / Dept. of E. E., Tamkang University SLAM 技術分享 參考資料來源 圖VFF https://www.researchgate.net/profile/Jianjun_Ni2/publication/2 60876897/figure/fig6/AS:324759163293697@1454440026818/ A-simple-example-of-path-planning-based-on-the-VFF- method.png 圖蒙地卡羅方法 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%92%99%E5%9C%B0%E5 %8D%A1%E7%BE%85%E6%96%B9%E6%B3%95 P-46/45
Editor's Notes
- #35 Hector實驗室由德國科學基金會DFG所贊助 每年提供約13億歐元