探討輪型機器人的移動議題與可能用到的技術 1. 輪型機器人的移動議題 2. Navigation and SLAM 3. 路徑規劃 4. 定位問題 4.1. 3D 雷射測距儀 4.2. 定位方法 – 里程計 4.3. 定位方法 – 粒子濾波器 5. SLAM 5.1. Gmapping 5.2. Hector SLAM 5.3. Cartographer

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SLAM技術分享
分享人：陳功瀚
Simultaneous
Localization and Mapping
同時定位與地圖建置

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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
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輪型機器人的移動議題
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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

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Navigation and SLAM
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Navigation and SLAM

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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
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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
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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
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圖VFF

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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
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• 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)
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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
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Hokuyo，2D雷射測距儀

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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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