本文來(lái)自微信公眾號(hào)“電子發(fā)燒友網(wǎng)”，文/黃山明。
如今的智能掃地機(jī)器人越來(lái)越智能，并且功能集成也越來(lái)越多，不僅集成了掃拖一體，并且還能進(jìn)行自清潔，自動(dòng)換水等功能。如果哪天能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)倒垃圾，那么掃地機(jī)器人在衛(wèi)生打掃上，便能夠徹底解放人們的雙手。但每個(gè)房屋的布局都不一樣，智能掃地機(jī)器人是如何規(guī)劃路線進(jìn)行清掃的，又是如何回到充電口自己充電的呢？
掃地機(jī)器人的自主導(dǎo)航與路徑規(guī)劃
如今掃地機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主地避免障礙、在不同的地形上移動(dòng)、清掃地板和返回基地，更加的智能與便利。而其中重要的一項(xiàng)技術(shù)便是路徑規(guī)劃，想要實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，就需要建立室內(nèi)導(dǎo)航。
掃地機(jī)器人使用的導(dǎo)航技術(shù)通常包括兩種方法：基于邊界的導(dǎo)航和基于地標(biāo)的導(dǎo)航，這兩種方法都有其特定的實(shí)現(xiàn)方式。
基于邊界的導(dǎo)航是通過(guò)讓機(jī)器人感知環(huán)境中的墻壁、墊角、家具等邊界來(lái)導(dǎo)航。現(xiàn)代掃地機(jī)器人通常使用多種傳感器，如激光雷達(dá)、紅外線或干涉儀來(lái)檢測(cè)墻壁等物體，并計(jì)算機(jī)器人相對(duì)于它們的位置和朝向?；谶@些信息，機(jī)器人可以確定自己在房間中的位置，并移動(dòng)到新的目的地。
而基于地標(biāo)的導(dǎo)航，則需要讓機(jī)器人可以識(shí)別的獨(dú)特標(biāo)記點(diǎn)來(lái)導(dǎo)航。例如，機(jī)器人可以通過(guò)識(shí)別房間中的門(mén)、家具、墻角等特定點(diǎn)來(lái)導(dǎo)航。這些標(biāo)記可以使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)或其他傳感器檢測(cè)。在基于地標(biāo)的導(dǎo)航中，機(jī)器人利用描述這些標(biāo)記點(diǎn)之間關(guān)系的建模來(lái)實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和導(dǎo)航。
想要實(shí)現(xiàn)上述兩種導(dǎo)航方式，則需要用到SLAM技術(shù)（即同步定位與地圖構(gòu)建），其中機(jī)器人同時(shí)建立地圖并確定自己在地圖上的位置，然后將地圖用于路徑規(guī)劃和導(dǎo)航。機(jī)器人還可以使用視覺(jué)識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)來(lái)提高其導(dǎo)航精度和效率。
SLAM技術(shù)與A算法
SLAM技術(shù)（同步定位與地圖構(gòu)建）是一種在未知環(huán)境中自主構(gòu)建地圖，并同時(shí)確定機(jī)器人嵌入地圖中的位置的技術(shù)，因此也被描述為機(jī)器人自主定位和建圖。SLAM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)器人應(yīng)用中，包括自主車輛、航空器、無(wú)人機(jī)和掃地機(jī)器人等。
該技術(shù)主要通過(guò)機(jī)器人的傳感器來(lái)感知環(huán)境，同時(shí)使用這些感知數(shù)據(jù)來(lái)建立地圖和確定機(jī)器人在地圖中的位置。根據(jù)使用的傳感器類型，SLAM技術(shù)主要使用激光雷達(dá)、相機(jī)或RGB-D傳感器。通過(guò)這些傳感器獲取的數(shù)據(jù)，機(jī)器人可以檢測(cè)到環(huán)境中的障礙物、地板、墻壁和房間等物體，并提取出特征信息，例如邊緣和角點(diǎn)。
SLAM對(duì)于機(jī)器人的定位和建圖同時(shí)進(jìn)行，就是機(jī)器人需要在建立地圖同時(shí)確定自己的位置這兩個(gè)問(wèn)題上進(jìn)行同步處理。因此，SLAM技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)是處理感知數(shù)據(jù)的噪聲和錯(cuò)誤，以及在構(gòu)建地圖和定位機(jī)器人之間實(shí)現(xiàn)同步。為此，SLAM技術(shù)采用了許多算法和技術(shù)，包括濾波器技術(shù)、魯棒估計(jì)、特征提取、匹配和多假設(shè)跟蹤等。
在掃地機(jī)器人應(yīng)用中，SLAM技術(shù)用于構(gòu)建室內(nèi)環(huán)境的地圖和確定機(jī)器人的位置，從而幫助機(jī)器人規(guī)劃清掃路線并避免障礙物。SLAM技術(shù)可以幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主操作，從而大大提高了機(jī)器人的工作效率和準(zhǔn)確度。
而想要更精準(zhǔn)的行進(jìn)，還需要輔以A算法，A算法是一種啟發(fā)式搜索算法，用于在地圖中找到從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最短路徑。它通過(guò)評(píng)估每個(gè)節(jié)點(diǎn)到終點(diǎn)的距離，選擇最優(yōu)的路徑來(lái)搜索最短路徑。A算法的優(yōu)點(diǎn)是速度快、內(nèi)存占用小，適用于解決一些離散化的問(wèn)題。
在掃地機(jī)器人中，A算法可以用于規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的路徑，以便更好地完成清潔任務(wù)。具體來(lái)說(shuō)，A算法會(huì)根據(jù)當(dāng)前機(jī)器人的位置和目標(biāo)位置之間的距離，計(jì)算出一條從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的最優(yōu)路徑，并沿著這條路徑前進(jìn)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主導(dǎo)航和路徑規(guī)劃。
小結(jié)
如今的智能掃地機(jī)器人利用SLAM技術(shù)來(lái)自主建立室內(nèi)環(huán)境的地圖，并確定自身在地圖中的位置；同時(shí)，使用A算法基于啟發(fā)式函數(shù)估計(jì)鄰居節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)的距離成本，并計(jì)算每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的總路徑成本，以規(guī)劃出最優(yōu)的清掃路徑，保證往返路徑的最小化和時(shí)間的最大化，同時(shí)避免障礙物和不必要的繞路，從而高效、優(yōu)化地完成清掃任務(wù)。
