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基于GIS和SLAM的机器人大范围环境自主导航
资料介绍
机器人自主导航技术的基础是其自定位能力,同时同步定位与建图(SLAM)是实现机器人自定位的重要方法。目前由于大规模SLAM技术发展的限制,机器人很难实现在大范围环境下进行建图和导航,并且尚没有结合SLAM和实际地理空间信息指导大范围机器人导航的完整自主导航系统。提出基于GIS和SLAM的机器人大范围环境自主导航方法,利用真实的城市空间路网信息,以地理信息系统(GIS)空间数据库的存储和计算能力为数据支撑,基于提出的大范围导航算法,实现了一套包含空间数据库、SLAM、导航算法的完整系统,具有良好的可复用性和可扩展性,符合实际生活场景,可以指导机器人进行大范围条件下的导航和建图行为。同时通过对机器人激光建图信息的存储,使得再次经过本区域的机器人可以在户外精确定位,实现在室外GPS缺失或误差条件下自身位置的修正。此外地图信息的存储可以实现多机器人对地图信息的复用,为多机器人的规划提供支撑。同时将人类世界的空间信息与机器人建图信息相结合,细化和丰富了原有的空间信息。
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器
仪
表
学
报
38
3
期
Vol. 38 No. 3
Mar． 2017
第
卷
第
Chinese Journal of Scientific Instrument
2017
3
月
年
*
GIS SLAM
和 的机器人大范围环境自主导航
基于
， ， ，
孙曼晖 杨绍武 易晓东 刘衡竹
(
410001)
国防科技大学计算机学院 高性能计算国家重点实验室 长沙
: ，
要 机器人自主导航技术的基础是其自定位能力 同时同步定位与建图
( SLAM)
。
是实现机器人自定位的重要方法 目前由
摘
SLAM
，
， SLAM
于大规模
技术发展的限制 机器人很难实现在大范围环境下进行建图和导航 并且尚没有结合
GIS SLAM ，
的机器人大范围环境自主导航方法 利用真实的城市
和实际地理空间信
。
息指导大范围机器人导航的完整自主导航系统 提出基于
和
，
空间路网信息 以地理信息系统
( GIS)
， ，
空间数据库的存储和计算能力为数据支撑 基于提出的大范围导航算法 实现了一套包
、SLAM、 ， ， ，
导航算法的完整系统 具有良好的可复用性和可扩展性 符合实际生活场景 可以指导机器人进行大范围
含空间数据库
。 ， ，
条件下的导航和建图行为 同时通过对机器人激光建图信息的存储 使得再次经过本区域的机器人可以在户外精确定位 实现
GPS
。 ，
缺失或误差条件下自身位置的修正 此外地图信息的存储可以实现多机器人对地图信息的复用 为多机器人的规
在室外
划提供支撑 同时将人类世界的空间信息与机器人建图信息相结合 细化和丰富了原有的空间信息
: GIS ; SLAM;
。
，
。
;
;
关键词
空间数据
大范围导航 路径规划 重定位
: TP399 TH113
: A
: 520． 60
国家标准学科分类代码
中图分类号
文献标识码
Autonomous navigation of robot in large-scale environments based on
GIS and SLAM
Sun Manhui，Yang Shaowu，Yi Xiaodong，Liu Hengzhu
( State Key Laboratory of High-Performance Computing，College of Computer，National University of Defensive Technology，
Changsha 410001，China)
Abstract: SLAM ( simultaneous localization and mapping) is widely used for self-localization of robot，which is a basis for autonomous
navigation of it． In order to autonomously navigate in unknown environments，a robot has to move around and generate the environmental
map while localizing itself． However，SLAM in large scale environments is still a challenging research topic，and there is no complete
system been reported yet that integrates SLAM and geographic information in such environments． In this paper，we propose an
autonomous navigation system consisting of a GIS ( Geographic Information System) database，SLAM system，and path planning method．
The system is based on the computing capability of the GIS database． It can provide navigation guidance for a robot in a large geographic
space． It is highly reusable and extensible． Moreover，the mapping result can serve as the basis of re-localization of a robot in the area
even without a GPS sensor． Combining the geographic information and the mapping results of a robot is of great help for the robot to
understand the environment，and in the meantime，to enrich the origin geographic information with more details．
Keywords: GIS geographic database; simultaneous localization and mapping ( SLAM) ; large scale navigation; path planning; re-
localization
。
航技术在移动机器人系统研究中占有重要的地位 导航
，
技术是移动机器人的基础 而定位技术则是导航的关键
。
1
引
言
( simultaneous localization and
目前 同 步 定 位 与 建 图
mapping ，SLAM)
。
移动机器人是当今机器人研究领域的热点 自主导
，
是最重要机器人自定位技术之一 由于
: 2016-04
Received Date: 2016-04
( 61303185)
收稿日期
*
:
基金项目 国家自然科学基金
项目资助
3
:
孙曼晖 等 基于
GIS
SLAM
的机器人大范围环境自主导航
587
第
期
和
SLAM
，
技术的限制 机器
GIS ( global
信 息 结 合 全 球 定 位 系 统
机载计算机存储和计算能力对
还常 常 使 用
［8-9］
。
positioning system，GPS)
。
谷
人很难实现在大范围环境下进行建图和导航
指导移动机器人的技术
SLAM
、 、
歌无人驾驶车通过相机 雷达 激光等传感器检测道路障
传统
方法在大范围环境下应用的研究中存在
［1］
［10］
，
许多尚未解决的问题 例如数据关联问题
、
。 ，
但该技术使用谷歌开发的特殊道路地图 数据
路径探索问
碍物
接口以及地图数据均没有通用性 机器人自主导航采用
GPS GPS
［2］
［3］
。Castellanos J． A．
。
题
等人 的子地图分割方法不能有
， ，
效解决数据关联问题 当数据关联一旦发生错误 将最终
。
技术的一个缺点是难以适用于
拒止的环境
( robot operating system，ROS)
是
［10］
SLAM
，
状态估计中 有时甚至使整个定位过
带入到整个
机器人操作系统
。
， 、 、
一个机器人软件平台 提供了硬件抽象 设备驱动 函数
程发散
-
此外由于传统的机器人导航模式为创建地图 全局
、 。
库 消息传递和软件包管理等诸多功能 由于其便利性
- ，
定位 路径规划 单纯依靠里程计的信息机器人无法进行
。
越来越得到广泛使用 然而目前其中并没有实现可以连
［4］
，
，
由于里程计存在误差 在一段距离的累积之后将
，
接和使用空间数据库的相应功能 无法直接将机器人感
知算法与现有的空间数据库中提供的空间计算方法结合
定位
， 。
偏离正确的定位 所以需要视觉进行辅助定位 而在大
， 、 ，
范围半未知或未知环境下 由于范围大 复杂度高 地图
，
使用 对移动机器人在真实世界的作业造成了一定限制
。
，
信息将难以精确获得 继而难以完成准确地全局定位并
，
本文提出了一套大范围环境下的机器人导航方法
可以使得机器人在大范围环境条件下完成路径规划和避
GIS
。
进行相应导航
在大范围环境导航的研究中
出的拓扑导航算法基于里程计的信息和扫描匹配的结果
［5］
，Konolige K
，
等人
提
障行进 并基于此方法采用
空间数据库结合激光
ROS
之上实现了完整的机器
SLAM，
在机器人操作系统
，
在机器人行动的路径上增加拓扑边和节点 并且在可通
，
人导航建图系统 可以指导机器人进行大范围条件下的
，
行的节点之间增加拓扑边 用以指导大范围区域的路径
。
导航和建图行为 同时通过对机器人激光建图信息的存
［6］
。Lerkerkerer C． J．
SLAM
，
储 使得再次经过本区域的机器人可以在户外精确定位
，
规划
等人 提出的基于激光
的
，
GPS
。
缺失或误差条件下自身位置的修正
混合地图导航算法通过激光建图结果进行定位和导航
实现在室外
，
同时在移动的过程中建立和保存拓扑地图 通过定期丢
弃代价地图和保存全局拓扑地图的方式降低对存储的开
2
系统组成与方法
，
销 达到在大范围下机器人导航的目的
。
( geographic information system，GIS)
地理信息系统
空间数据中包含大量的路径信息 城市环境 卫星地图等
2． 1
系统组成
、
、
基于提出的机器人自主导航方法实现了一套完整的
GIS GIS
［7］
，Gutierrez P
人类生活空间的描述数据
GIS
等人 提出了基
。
导航系统 该系统由
、
空间数据库 桌面
、
系统 导
。
框架实现自主飞行器的任务规划和仿真 通过处
于
，
航和建图模块以及仿真环境构成 可以完成空间路径数
GIS
，
信息来指导飞行器 规定禁飞区域和热点区
理过的
、 、
据的提取和分析 空间路径的展示 机器人导航及激光建
， ，
域 对任务进行规划和仿真 提高了飞行的实时性
。
。 1
图功能 系统的结构如图 所示
。
，
为实现机器人在大尺度现实环境中的自动化移动
1
图
机器人大范围导航建图系统结构
Fig． 1 The structure of autonomous navigation system in large-scale environments
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