人工智能&机器人需要掌握哪些关键技术
发布时间：2021-09-21 18:41:48 所属栏目：大数据 来源：互联网
导读：主要以机器人载体为例，分享涉及到的一些关键技术。 首先看一个最普通的机器人的问题：从A点导航到B点，模拟一个室外机器人或者室内机器人运动的整个过程。 在运动过程中，就会涉及到几方面的问题：这个机器人必须要知道我在哪？其次我要去哪？这过程我要怎
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主要以机器人载体为例，分享涉及到的一些关键技术。
首先看一个最普通的机器人的问题：从A点导航到B点，模拟一个室外机器人或者室内机器人运动的整个过程。
在运动过程中，就会涉及到几方面的问题：这个机器人必须要知道我在哪？其次我要去哪？这过程我要怎么去？
“我在哪？我要去哪儿？ ” 这整个过程中涉及的技术就有感知、定位、建图，机器人首先要感知外部的环境，来知道自己的位置，即感知定位，其次就是构建一个环境的地图。
例如：从A点到B点，要规划出一条无障碍物、相对来说最优的轨迹，让机器人来执行，具体怎么执行，是整个的控制的过程。
这个控制过程，就涵盖了整个机器人领域大部分的技术模块。
首先最开始就是感知，如人一样进入一个新的环境中，要用眼去感知，看到外面的世界，机器人也是一样，通过身上的传感器，比如激光雷达、摄像头，用来感知外部的环境，识别一部分东西。
感知的一些信息会传达至定位建图的模块，也就是SLAM模块。不论是激光雷达还是摄像头、红外传感器，根据这些传感器信息，获得机器人当前的一些位置，同时构建一个环境地图，或者是已知一个环境地图，对这个环境地图进行定位。
通过机器人的定位信息，规划一个过程，比如说规划一个导航，这个导航肯定要依赖于机器人定位的信息或激光雷达等信息，规划出这条路径以后，要执行这条路径，将路径发至我们的控制模块，控制模块跟踪这条路径，从而达到最后的效果。
这就是机器人，特别是移动机器人涉及到的相关的技术。
对于一个臂式机器人或足式机器人，也是类似。但是对于臂式机器人，如机械臂，定位和建图这块可能是没有的，但是需要感知。感知之后，将信息传达给运动规划，进而进行运动控制。
下面我就以以下几个模块及相应的关键算法和技术，做简单的介绍。
感知模块
感知模块是干什么的？举一个运用场景最多的、简单的例子，无人驾驶汽车的感知是非常重要的。感知是一个载体，作为识别环境的第一步，若是没有这一步，那么就没法准确地去做规划控制。
作为无人驾驶汽车，感知可以就分为检测、分类、跟踪、语义分割四块。
检测即分布路面的情况，如交通灯等，找出物体在环境中的位置；
然后进行分类，明确自己检测的东西是什么，比如说警示牌、限速牌等等；
跟踪，随着实践的推移，要观察移动物体，要对前面或者说附近的车辆进行跟踪，注意移动位置；
语义分割，感知图像中有不同的元素，要知晓每个元素是做什么的，与语义类别进行匹配，如道路、汽车、天空等等。
一般通过什么来感知呢？就是摄像头，雷达，如激动雷达，车上的倒车雷达等等。
每一个传感器都有不同的作用。
若是想要执行感知模块的四大版块，涉及什么样的算法呢？
传统算法，已有最近流行的深度学习算法，现在比较流行的，在无人驾驶领域等人工智能领域，常用的网络结构有R-CNN、YOLO、SSD等等，比如说举例无人驾驶汽车感知模块，经过YOLO网络进行物体的跟踪，车道线探测等等。
这涉及很多深度学习算法，还有感知常用的、传统的机器学习算法。
看一下另一个机器人机械臂。机械臂的感知模块与无人驾驶汽车、机器人还有所不同，他的感知大致是相同的，比如说完成机械臂抓取的任务。
这是最常见的一个任务，它的功能有以下几块：相机标定，物体识别、位姿估计。
为什么要进行相机标定呢？机械臂在抓取时，物体是在摄像头下面的一个位姿，要完成抓取任务，还要完成机坐标系等，它要通过一系列坐标系的转化，来完成相机内外参的标定。
还有与无人驾驶常用的类似，即物体识别，要识别这个物体，进行分割，然后完成物体的抓取任务。
最重要一个模块，就是位姿估计，我要抓取物体，获取物体在摄像头之内的位姿，就一定要探测出当前的一个位姿，讲位姿提供给规划模块，才能在此基础上进行抓龋
可以说一下这几块的任务，比如说相机标定，在机械臂抓取过程中，也是非常关键的环节。
相机安装的位置可能有两种：一种是固定在机械臂的外部，或者是摄像头固定在机械臂的手上，一个是眼在手外，一个是眼在手上。标定的方式是类似的，都是通过一系列坐标系的转换，来确定相机的外参和内参等等。
位姿估计在机械臂抓取过程中是非常重要的，目前常用的有2类算法。
一类是基于传统的，首先将物体进行分割，分割后是一系列的点云信息，将分割出的点云信息进行ICP匹配，匹配获得物体的位姿。
另一种是利用神经网络，不经过分割，直接进行位姿估计。
这里的位姿估计指的是6D的位姿估计，因为抓取需要获得它的SYZ，姿态信息、平移的信息都要获得。6D的位姿估计，在目前的3D视觉中，也是研究的热点。
下面呢就是定位与建图模块，这就主要针对移动机器人和无人驾驶这一块来说的，机械臂可能不涉及这一块。
定位与建图，做SLAM的同学可能会非常熟悉，这是定位与建图整体的框架，主要分为前端、后端、回环、建图。
前端和后端也分为很多的模块，比如说使用的传感器，是目前主要的分类方法，比如说以激光为主的SLAM和视觉为主的SLAM，这是一大类分类方法。
还有一种，类似后端，是采用滤波方式还是优化方式，分为基于滤波的，或者是基于优化的，现在大家主要说基于激光的，基于视觉的。
激光SLAM主要是以激光为主，肯定不是用一种传感器，多传感器融合进而获得定位的信息，融合最常见的就是IMU、里程计、GPS，视觉SLAM以视觉为主，也是融合IMU、里程计、GPS等多种传感器。
可以看一下激光SLAM涉及到的一些关键技术，在SLAM领域研究比较热，有很多经典的天然框架，这些框架非常值得大家去学习。
激光SLAM中比较经典的开源框架，Gampping是比较早的，主要是2D的建图，这主要是基于滤波的。
基于粒子滤波的SLAM，现在在3D场景下比较常用的是LOAM系列，在室外的机器人或者无人驾驶汽车中，LOAM使用比较多。
LOAM系列目前延伸出很多，如F-LOAM、A-LOAM。
LOAM主要针对的是3D的点位信息，室外场景的激光SLAM框架。
还有一个非常经典的就是Gartographer，这个如果做室内机器人，包括做室外产品的，会都比较熟悉。
做激光的，这是谷歌开源的非常经典的SLAM框架，有2D版本，也有3D版本。
就室内的来说，Gartographer是目前性能比较好的框架，目前3D版本在室外的场景，算是还可以。
Gartographer的整个的回环、前、后端，都是比较全的，LOMO最原始的，只有一个前端，当然,在后来的工作中也添加了很多。
关于在激光SLAM中，前端和后端是干什么的呢？前端激光里程计，目前方法研究的也很多，比如有基于直接匹配的，这里有两大类，ICP和NDT。
ICP就是两头点评之间进行匹配，求出两头点评之间的旋转位姿，一个R、一个T。ICP又分很多种，一种是点到点的ICP匹配，这种的效率比较低一些。还有就是点到线、点到面的PLICP等等。
NDT系列整体性能要比ICP整体要好一些，把空间划分为一个个的栅格，然后在栅格中求一个高斯分布，两个点中求一个概率分布，求最大值来进行匹配。因为划分为高斯分布，比点到点的效率要高，匹配的效果也要更好一些。
前端还有基于特征的，LOAM系列是基于特征的，会在点之中提取一些边缘，提取一些面信息。会根据这些信息，求出一个函数，进行点云和点云之间的匹配。
还有一些Cartographer是基于栅格的，Cartographer前端是做出了一个map的匹配，就会建立一系列的子图，叫做Submap。
每一坨点云都会和Submap进行匹配，找到栅格的最大值，当前在Submap中当前的位姿，通过Submap的匹配获得当前的位姿。当然，这里面也经过了siris优化。
还有一些，是比较前沿的，比如基于语义的里程计，这里不做详细分析。
后端，刚才也说了，有基于滤波器的，也有基于非线性优化的，目前主流算法都以基于优化为主，因为优化性能要强于滤波器的，现在也有一些因子图优化，这是用得比较多的。
还有就是回环检测，有初始相对位姿，如在室外场景下有GPS，如何能够精确导航，就可以基于这个位姿做一个回环，这样会比较简单，直接拿当前的位姿和逆时针的点位进行ICP或者NDP的匹配，来获得回环的约束。
如果无初始相对位姿，没有一个很好的GPS来提供一个初始位姿，要找一个与历史位姿相近的特征，有非学习的方法和基于学习的方法。非学习的方法，比如说scan context，有一款是可以获得两个点云之间的像素度，从而进行一个打分，当然，还有一个方法，比如说特征直方图等。
下面是视觉SLAM经典的开源框架
对于视觉，就研究的更多一些，它的经典的天然框架只会更多，比如说经典的ORB-SLAM、SVO、DSO，这都是纯视觉。主要以demo为主，额外还有VIO系列。
视觉经常会和IMU来融合，因为纯视觉往往会受环境影响大，加上IMU，会得到融合得比较好的估计。
经典得还有VINS系列、OKVIS等，这是通过IMU的微积分，来获得帧与帧相关的约束，约束加入后端。
关于视觉的前端视觉里程计，主要有特征匹配和直接法。特征匹配可以直接提取特征信息，直接法就是基于光流，做视觉SLAM的同学应该会比较熟悉，后端也是基于优化的方法用得比较多。
对于视觉来说，它的回环激光就不太一样，采集的图像比较丰富，主要基于一个SLAM模型这一块比较多一些，这是视觉SLAM。
之后就是定位与建图中的建图，我们定位的建图有以下几种：2D栅格地图、2D拓扑地图，3D点云地图、3D网格地图。
建图主要是为了给后续的导航来使用，只要定位有了，建图在SLAM中是非常简单的事情，把相关的景观特征组成一个地图。
对机器人来说，比较重要的是Planning规划模块。从框架来看，大致也可以划分为前端和后端，前端就是做一个globe blame全局的规划，这个全局主要是搜索一个初始的路径，这会遇到一些路径搜索的算法。
后端是干嘛的呢？对着路径进行再处理，得到一个可以下发给控制模块的指令，也可以划分为全局和局部，当然，现在也有一些基于端和端的规划模块，但在使用中，这种全局和局部的方式，用得会更多一些，这是一个规划模块的框架。
规划模块涉及的算法，比如说基于搜索的规划算法，这是一大类，这种基于搜索的算法有很多，比较经典的就是Dijkstra、Astar，Dijkstra扩展的效率可以了解要比A*低很多，因为它是无目的性的拓展，而Astar加入了启发函数，因此说，Astar是目前比较主流的一种搜索算法。
当然，Astar也会延伸出很多其他的，基于Astar系列的改进，如Dstar是基于动态障碍物，来进行局部的规划。
最近几年，还提出了JPS的算法，即是跳点搜索。它的效率要比Astar要更高一些，因为Astar在扩展的时候，扩展出很多无用的商品，JPS对扩展的栅格进行一系列的优化。
全局规划算法，除了基于搜索，还有基于采样的规划算法，其中包括两大类：PRM(概率路线图)和RRT(快速搜索随机数)系列。
下面这张图就是RRT快速搜索的过程,它是建立一个随机数,在空间中随机采样,来找到最终的目标。
基于RRT，有一系列的改进。比如说Bi-RRT和RRT-connect，会从两端进行搜索，再一个就是考虑RRT的最优性，会有一个RRT*、InformedRRT＊，这都是衍生出来的，对RRT的改进算法。
再进一步说，全局还有考虑运动学约束的规划算法。为什么要考虑运动学约束？A*规划出的算法其实是一些拓展的栅格，是一些折线，不满足机器人实际的运动学约束，在这个情况下就需要进一步的考虑，比如说混合A星，进行拓展的时候，会基于运动学的模型进行拓展，这样就可以搜索出接近于可执行的轨迹，给后面的局部优化，带来更小的压力。
还有一些，StateLatticePlanner，也是基于考虑机器人运动学,还有一个就是RRT、KinodynamiceRRT*，也是考虑RRT的相关算法。
对于局部规划算法来说，局部更多的是进行内部环境的优化，对于全局不满足各种约束的路径，进行局部的优化。优化方法，这里会涉及到基于硬约束和软约束。
常见的在ROS中经常看见的局部优化算法，有DWA、TEB、MPC等，这些很多的思路都是基于优化的思想，如TEB是对前端的轨迹进行拉伸，拉伸后使他出来满足一个约束。
MPC也会做一个关于硬约束的优化，来解决优化问题，求出符合约束的路径。
举一个规划算法的例子：ROS集成室内移动机器人的导航框架。这里分为两极，global planner local planner ，全局的规划和局部的规划。
考虑到全局规划用于global costmap，local planner用的是local costmap，当然这里还涉及输入信息、定位信息和传感器信息等等。当然，规划失败的时候，也会考虑recovery behaviors，这就是它的两层结构。
在global planner里可以用A* ,RRT等，在local planner里可以用基于优化的算法。
对于机械臂来说，它的规划算法，基本算法与A＊、RRT等是类似的，它与移动机器人还是不同的。机械臂是在一个高维空间规划，它的规划显得要更加得困难。它基于优化得算法会用得更广一些，比如说OMPL规划库，这个规划库主要集成得RRT为代表得算法，因为A* 在高维空间中,搜索得压力会更大一些，RRT在这里得效率会更高一些。
还有一些常用得规划算法，如CHOMP、STOMP等。这是在机械臂中常用得一些算法，它的思路与移动机器人的思路是相似的，都是基于优化，从而求出一条可执行的轨迹。
下面就是控制模块，控制模块是在规划出来的轨迹中进行跟踪，控制模块涉及到机器人控制学的机器模型，比如说差速机器人运动学模型，是比较常用，也是比较简单的。
在室外，就是使用的汽车运动学模型，因为前后有转向，有转向角，常用的一些控制算法有PID、LQR等。
在这里主要说一下LQR控制算法，也叫线性二次调节器，比如说这是对汽车红色向的控制。它会建立出汽车这样一个红色向的模型，运动学或者是动力学模型，写成一个线性形式，然后优化代价，代价里有一个跟踪的指标，还有一个控制的指，,最终求出一个反向控制率，来进行一个反馈的控制。
常用的MPC控制算法，MPC是一个滚动优化的策略，基于一个机器人预测模型，会往前预测出这么一个N部，针对这个N部进行滚动优化，每次优化。
因为控制器求出这个N部，当然控制时域与预测时域不一定相等，这个U会第一步发给对象，来做一个反馈的控制，这个过程不停地去迭代，一直不停地去滚动优化。
通过这个预测输出，这种控制算法目前在移动机器人中用得比较多，特别是在在机械臂地滚动优化部分。
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