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• 關鍵詞：                                                                掃地機器人

• 摘要：機器人環境地圖構建問題可以這樣解釋：從某一位置開始，一個移動機器人應該能夠用其傳感器探索環境，獲知環境信息，解釋場景，通過一定的算法更新或構建地圖。目前，有很多表示環境地圖的方法，對于機器人導航應滿足以下三點要求。

　　對很多移動機器人來說，其所處的環境基本是未知的，構建地圖需要機器人從未知環境的未知地點出發，在運動過程中通過重復觀測到的地圖特征（比如，墻角，柱子等）定位自身位置和姿態，再根據自身位置增量式的構建地圖，從而達到同時定位和地圖構建的目的，這即移動機器人導航中常見的SLAM技術（同步定位與地圖構建：Simultaneous localization and mapping）。掃地機器人的工作環境與一般的移動機器人有所不同，它工作在室內家庭環境中，在大的格局上一般不會變化，但是局部空間有時會產生一些變化（如座椅的挪動，人、寵物的走動等），需要機器人在工作中不斷的在原有地圖基礎上進行地圖更新。

　　機器人環境地圖構建問題可以這樣解釋：從某一位置開始，一個移動機器人應該能夠用其傳感器探索環境，獲知環境信息，解釋場景，通過一定的算法更新或構建地圖。目前，有很多表示環境地圖的方法，對于機器人導航應滿足以下三點要求：

　　1、便于計算機的處理

　　2、容易加入新的信息并更新地圖

　　3、機器人可以依靠該地圖信息完成特定的任務，如導航、搜索等等

　　常用的環境地圖可以大致分為三種：拓撲地圖、幾何地圖、柵格地圖。每種表示方法都有自己的優點和缺點，下面分別進行介紹。

　　1.拓撲地圖（Topological Map）

　　拓撲地圖是一種保持點與線相對位置關系正確而不一定保持圖形形狀與面積、距離、方向正確的抽象地圖，它經過簡化及調整，只保留重要信息。談到拓撲地圖大家可能會有些陌生，但是有一種拓撲地圖很多人要每天都與之打交道，那就是地鐵線路圖。現代的地鐵線路圖起源于哈利·貝克(Henry Charles Beck)在1931年繪制的倫敦地鐵路線圖，它上面沒有比例尺，兩點之間的相對位置及距離也不一定對應實際的位置和距離，用不同顏色標示地鐵路線以及沿線的各站，看起來清晰直觀，解決了原來按照實際地理比例導致的諸多問題。現在的地鐵線路圖大都是據此演變而來，哈利·貝克也因此聞名。

　　在機器人領域，拓撲地圖是一種簡潔緊湊的環境建模表示方法，地圖中只包含節點和線段兩類元素。節點表示環境中如障礙物、起始點、轉角、充電基地等重要位置點，線段表示重要點之間的連接關系。拓撲地圖的復雜程度由環境中的重要位置點個數和重要置位點之間的連接關系決定。舉例說明，如果環境中只有兩個關鍵位置點，那么拓撲圖中只有兩個節點和至多一個線段；如果存在三個關鍵位置點，那么就存在三個節點和至多三條線段，以此類推在N個節點下，至多存在N(N-1)/2條線段。以拓撲地圖表示環境，忽略了環境中的幾何特征，位置信息也只是給予模糊描述。機器人只需要知道從哪個節點出發，到哪個節點終止，選擇哪條線路即可，對位置精度要求不高。

　　拓撲地圖抽象度高，特別在環境大而簡單時。這種方法將環境表示為一張拓撲意義中的圖，圖中的節點對應于環境中的一個特征狀態、地點。如果節點間存在直接連接的路徑則相當于圖中連接節點的弧。其優點是：(1)有利于進一步的路徑和任務規劃，(2)存儲和搜索空間都比較小，計算效率高，(3)可以使用很多現有成熟、高效的搜索和推理算法。缺點在于拓撲地圖的構建要求節點特征明顯，對全覆蓋路徑規劃有一定局限性，對環境的描述信息有限，無法用于判斷是否已經完成遍歷。在智能掃地機器人應用中，拓撲地圖節點往往用位置坐標作為特征，而地圖本身在表示單元域分割法中的單元域鏈接問題中有較為出色的應用。                                                             

　　2.特征地圖（Feature-based Map）

　　特征地圖，也稱幾何地圖，是指對從機器人傳感器上采集到的環境信息進行共性篩除、特征提取后，得到簡單的幾何信息特征（例如點、線段、圓弧或曲線），以此為描述關鍵建立地圖的方法。這種表示法更為簡單,便于障礙物的位姿信息估計和特征識別。在掃地機器人室內應用中，這些特征往往是門、墻、桌角等室內障礙，而從傳感器的角度觀察，他們就是一些長的反射面，寬度不不超過2米的通道或者是一個半徑15厘米的圓柱障礙物。創建特征地圖對傳感器的精度提出了一定的要求，一般采用一些帶有預處理或者信號變化的傳感器模塊完成。特征地圖定位準確，模型易于由計算機描述和表示，參數化特征也適用于路徑規劃和軌跡控制，但特征法需要特征提取等預處理過程，對傳感器噪聲比較敏感，適于高度結構化環境(如辦公室、教室及家庭等),特征地圖與路徑規劃方法中的模板匹配法也有很高的適應性。

　　3.柵格地圖(Grid-based Map)

　　柵格地圖是一種對現實中真實地圖數字柵格化的產物。它將環境分解成一系列離散的柵格，每個柵格有一個值，柵格包含了坐標、是否障礙兩類基本信息，用每一個柵格被占據的概率值來表示環境信息，一般標識為是否是障礙物。每個地圖柵格都與實際環境中的一個小塊區域對應，反映出環境的信息，易于機器人進行地圖信息的存儲。柵格地圖可以詳細地描述環境信息，并且很容易創建和維護，但是在對環境劃分的柵格數量較少的情況下顯得精度不高，當需要高精度的柵格地圖時，由于柵格的數量的增加，機器人對柵格地圖的維護和處理時間會呈現指數級的增長，因此很難達到實時的效果。

　　柵格地圖是一種近似描述，易于創建和維護，對某個柵格的感知信息可直接與環境中的區域對應，機器人對所測得的障礙物具體形狀不太敏感，特別適于處理超聲測量數據。但當在大型環境中或網格單元劃分比較細時，網格法計算量迅速增長，需要大量內存單元，使計算機的實時處理變得很困難。

　　事實上，上述三種構建環境地圖的方法，各有優劣，目前還沒有哪一種能非常完整而又高效的對機器人所處環境進行建模。為了揚長避短，使用混合地圖有時可以有效減輕單一地圖所帶來的問題。如采用幾何-拓撲混合環境地圖，這種混合方法在全局空間采取拓撲描述以保證全局連續性，而具體局部環境中采用幾何表述則有利于移動機器人精確定位的優勢得以發揮。

　　選擇環境地圖的構建方法時，不能僅考慮環境地圖建模，而是要綜合考慮機器人的定位、路徑規劃以及應用場合的等多種因素。