$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Потенциал и модели применения робототехники переживают период быстрой трансформации, обусловленный достижениями в области технологий искусственного интеллекта. В последние годы технология визуальной одновременной локализации и картографирования (Visual SLAM) и ее расширение до визуально-инерциальных навигационных систем (VINS) добились значительного прогресса с точки зрения надежности и точности локализации1. Для повышения надежности инициализации в сложных условиях, таких как низкая текстура и плохое освещение, Campos et al. предложили ORB-SLAM3, который представляет собой систему с несколькими картами и улучшенную инициализацию для визуальных и визуально-инерциальных систем2. Для улучшения сопоставления признаков в сложных сценариях DeTone et al. разработали SuperPoint, самоконтролируемый метод обнаружения и описания точки интереса3, в то время как Sarlin et al. создали SuperGlue, сопоставление признаков на основе графовой нейронной сети, которое обрабатывает сложные визуальные условия4. Для плотной 3D-реконструкции Dai et al. предложили BundleFusion, глобально согласованную систему 3D-реконструкции в реальном времени, которая использует реинтеграцию поверхности «на лету» для работы в крупномасштабных средах и замкнутых контурах5.
В области планирования траекторий быстро исследуемые случайные деревья (RRT) и их варианты по-прежнему широко используются для планирования движения роботов. Основополагающий алгоритм RRT был впервые представлен компанией LaValle в качестве нового инструмента для планирования траектории, обеспечивающего эффективный метод на основе выборки для решения сложных задач высокой размерности6. Этот шаг был значительно усовершенствован Караманом и Фраццоли, которые разработали алгоритм RRT*, обеспечивающий асимптотические гарантии оптимальностипри планировании движения7. Основываясь на этих основных алгоритмах, современные исследования сосредоточились на гибридных подходах, которые сочетают методы, основанные на выборке, с другими методами. Например, Rösmann et al. разработали метод Timed Elastic Band (TEB), который позволяет генерировать локальную оптимальную траекторию и был широко интегрирован сглобальными планировщиками. Аналогичным образом, подход «Динамическое окно» (DWA), предложенный Фоксом и др., обеспечивает эффективный метод обхода локальных препятствий в динамических средах9.
На уровне локального планирования и семантического восприятия Чен и др. предложили семантически ориентированную стратегию планирования пути для микролетательных аппаратов (MAV), повышающую как эффективность поиска, так и безопасность во время исследования цели. Кабири и др. интегрировали измерения времени прихода (ToA) 5G в структуру VINS, чтобы обеспечить глобальное и локальное слияние SLAM, эффективно повышая точность локализации в средах с ограниченным покрытием GNSS11. Чтобы облегчить высокочастотное картирование в реальном времени, Xu et al. разработали FAST-LIO2, метод одометрии LiDAR-IMU, тесно связанный с LiDAR-IMU, способный создавать точные и плотные 3D-карты12. Для планирования пути в сложных средах Gammell et al. представили обоснованный метод RRT*, который включает в себя двунаправленный рост деревьев и адаптивную выборку, значительно улучшая качество пути и эффективность поиска вдинамических средах. Кроме того, для сценариев с узким проходом Coleman et al. представили метод планирования движения на основе выборки с переменной вероятностной выборкой, который улучшает показатели успешности планирования и вычислительную эффективность14.
В настоящем исследовании рассматриваются фундаментальные проблемы автономной навигации внутри помещений для колесных мобильных роботов (WMR) путем совершенствования как стратегии планирования маршрута, так и интерфейса SLAM. В частности, предлагаемая система предназначена для типичных структурированных внутренних сред, таких как лаборатории и коридоры, работающих в условиях умеренного освещения и минимального доступа к GNSS. Навигационная система в основном использует стереокамеру RGB-D, инерциальный измерительный блок (IMU) и энкодеры колес, при этом все датчики настроены на дискретизацию с частотой не менее 20 Гц. Для обеспечения надежной работы системы максимальная скорость робота ограничена менее чем 1,5 м/с. Ниже приведены основные вклады:
Мультисенсорная автономная навигационная платформа для колесных мобильных роботов (WMR) с использованием камеры глубины в качестве основного датчика. Для достижения точной локализации и эффективного обхода препятствий в типичных внутренних помещениях система объединяет одометрию колес и инерциальный измерительный блок (IMU). Синергия между этими компонентами играет решающую роль в повышении общих характеристик навигации.
Сочетание алгоритмов EPnP и ICP с методом извлечения признаков на основе квадродерева помогло улучшить модуль слежения в ORB-SLAM2. Благодаря этим разработкам повышается точность и надежность отслеживания.
Предложен новый метод планирования траектории, в котором особое внимание уделяется оптимизации траектории. Он основан на улучшенной технике RRT со смещением цели и регулируемыми размерами шага и использует кривые B-сплайна для сглаживания траектории. Алгоритм TEB также включен для управления обходом препятствий в динамических средах.
Производительность системы подтверждена реальными испытаниями и моделированием. Типичная внутренняя среда позволяет проводить количественный и качественный анализ для оценки точности карты, качества пути и производительности навигации. С точки зрения надежности, обработки в режиме реального времени и плавности траектории предлагаемый подход превосходит существующие решения.