基于拓扑米制混合地图的废墟环境同步定位与地图创建
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(1. State Key Laboratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Department of Technology, Ritsumeikan University, Kusatsu-Shi 525-8577, Japan)
第 35 卷第 6 期 2013 年 11 月 DOI：10.3724/SP.J.1218.2013.00762
机器人
ROBOT
Vol.35, No.6 Nov., 2013
基于拓扑米制混合地图的废墟环境同步定位与地图创建
王 楠 1,2 ，马书根 1,3 ，李 斌 1 ，王明辉 1 ，赵明扬 1
（1. 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室， 辽宁 沈阳 110016； 2. 中国科学院大学， 北京 100049； 3. 立命馆大学理工学部， 日本 滋贺 525-8577）
Abstract: A map representation method with an effective map building mechanism for representation of ruins environments is presented. Based on the hybrid metric-topological map representation, the ruins environment is described at different levels, according to the morphological characteristics in the interior of ruins environments after a seismic disaster. The whole environment is described on the basis of the global topological map, to ensure the system computing capability, ambient adaptability and friendly interaction, while building a local metric map at each topological node region, to represent clearly the irregular obstacle formed by a destructive pattern. The experiments in an artificial ruins environment demonstrate that the method can realize the simultaneous localization and mapping in complex environment, which indicates the feasibility and validity of the algorithm in practical search and rescue fields. Keywords: ruins environment; simultaneous localization and mapping; topological map; metric map; hybrid map
1 引言（Introduction）
针对废墟救援领域对特种机器人的迫切需求， 研制和开发用于搜寻营救的自主机器人系统已经成 为机器人学研究的新方向．自主式移动机器人关键 技术在于环境感知、思维和决策能力，其中机器人 定位和地图创建是机器人自主化的前提条件，具有 重要的研究意义． 废墟内部救援环境是复杂未知的非结构环境， 缺乏全局位置信息，要求机器人根据机载传感器递 增地创建地图， 并同时利用该地图对自身进行定位， 即同步定位与地图创建问题（simultaneous localization and mapping，SLAM） ．其特殊性在于机器人位
废墟空间中随机堆放大量的建筑破碎构件，包 括断裂楼板、 柱、 梁等． 废墟内部环境主要表现为板 柱结构的震害形态，如图 1 所示，常见局部破坏形 态如墙柱的狭缝、断裂等现象在 2 维平面呈现复杂 的边界变化形态，而整体环境全局结构保持震前连 通性， 障碍物分布稀疏， 缺少统一的适量特征．
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基金项目： 江苏省高校自然科学基金资助项目（11KJB510024） ． 通讯作者： 王楠， wangnan@sia.cn 收稿／ 录用／ 修回： 2013-03-29/2013-06-03/2013-06-21
第 35 卷第 6 期
王楠， 等： 基于拓扑米制混合地图的废墟环境同步定位与地图创建
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如何根据环境特点和任务性质选择地图表示方 法直接影响同步定位与地图创建系统的整体性能， 本文提出地图表示方法构建机制，首先分析同步定 位与地图创建系统基础准则，并针对应用背景分析 目标权值；其次对比常用地图表示方法属性，最终 得到面向废墟环境的地图表示方法决策． 2.1 同步定位与地图创建基础准则 根据 SLAM 系统构建目标与评估准则建立系统 目标空间 O： O = {Ci |i = 1 : k} (1) 其中， 构建准则 Ci 包括： (1) 适用性 C1 ：地图的数据结构组织形式能够 描述应用环境， 算法对任务需求的满足程度； (2) 精确度 C2 ：环境描述精度， 通常利用机器人 位姿和环境特征位置的协方差椭圆面积衡量； (3) 计算能力 C3 ：指算法复杂度、 计算速度和内 存消耗程度； (4) 交互性 C4 ：用户友好程度， 算法输出是否符 合人类认知习惯， 是否适用规划导航应用． 2.2 废墟内部环境震害形态分析 废墟是指地震作用下结构的各种破坏形态，内 部环境由破坏严重甚至完全倒塌的构筑物及连接管 道组成 [5] ， 局部破坏较易出现， 主要特征包括： (1) 墙体裂缝、 倒塌， 构造柱裂纹甚至折断； (2) 混凝土柱、 梁折断， 钢筋变形外露； (3) 坍塌倒塌部分形成堆积废墟．
置和环境地图两者均未知， 估计过程缺少绝对参考， 两者相互依赖， 不断迭代且高度相关． 现阶段面向废墟环境的同步定位与地图创建问 题逐渐成为了机器人研究热点．伊朗德黑兰大学的 Soleimani 等人通过检测无人机航拍中的灾难前后 不变特征进行废墟外部环境建图与定位 [1] ．针对倒 塌建筑内通向开阔区域的狭窄沟渠，日本冈山大学 的 Nagatani 等提出 S-DEM 算法进行 3 维空间定位 和环境建模 [2] ．日本东北大学的 Ohno 等人利用履 带机器人 Kenaf 在模拟灾难城市采集环境数据并验 证其 3 维地图构建方法，并分析实际救援中机器人 系统和地图表示方法的限制 [3] ． 德国的 Schwertfeger 等人以 RoboCup 救援为背景，根据应用需求通过基
Simultaneous Localization and Mapping Based on the Hybrid Metric-Topological Map in the Ruins Environment
WANG Nan1,2 ，MA Shugen1,3 ，LI Bin1 ，WANG Minghui1 ，ZHAO Mingyang1
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机
器
人
2013 年 11 月
据方案 P 属性对比可得多目标决策空间 D： D = { f (Pj )| j = 1 : k} (2)
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基于拓扑米制混合地图的 SLAM 系统创 建 （Building of SLAM system based on the hybrid metric-topological map）
2.3 地图表示方案对比 根据创建准则对 SLAM 问题现有地图表示方法 Pi 进行属性分析， 如表 1 所示．
பைடு நூலகம்表 1 常用地图表示方法比较 Tab.1 Comparison of common map representations 优点 拓扑 地图 缺点 适用环境
计算能力强、 室内大 需节点识别、 能有效组织环 规模环 近似定位 境、 适用导航 境 能够描述细 计算复杂、 存 定位精确、 栅 节、 储空间需求 格 对环境没有特 大 殊限制 特 征 参数化表示、 限于特定环 便于精确定 境、 需数据关 位、 易融入 联 SLAM
废墟内部属于大尺度准结构化室内环境，半倒塌建 筑存在墙、柱等不变结构，环境具有一定的先验知 识，能够利用灾难前的室内环境典型特征作为拓扑 节点识别依据，建立全局地图，且拓扑地图计算能 力较强，符合人类认知习惯，能够提供理想情况下 建筑物的全局定性结构和连通信息，满足计算能力 和交互性准则． 局部破坏结构轮廓的不规则和复杂性，无法用 合适的参数进行显式表达，甚至难以预知具体的参 数类型，本文采用局部栅格地图表示破坏结构形成 的不规则障碍物详细度量信息以满足适用性和精确 性需求．考虑废墟地形不平整问题，选择栅格地图 能够作为融合高程信息的 2.5 维地图技术储备． 综上所述，本文采用拓扑米制混合地图作为面 向废墟内部环境 SLAM 系统决策方案，创建机制流 程如图 2 所示， 虚线指方案属性值或准则权值略低．
准地图度量标准评估地图质量，提出了一种通过设 置人工路标作为基准点的评估方法，并归纳影响地 图质量的主要因素 [4] ． 面向废墟内部环境的 SLAM 系统既需要满足 震害形态描述需求，又需要满足紧急搜救的效率需 求，但现有方案不能同时满足上述要求．废墟内部 SLAM 地图表示问题的难点在于如何选用一个能够 描述该特殊环境的方法，同时该地图还能够与机器 人位姿一起进行更新．另外，如何降低适用于复杂 环境的 SLAM 算法计算复杂度也尤为重要．本文在 分析实际废墟内部破坏结构基础上，从环境建模角 度出发，提出一种地图表示方法构建机制，并利用 基于拓扑米制混合地图的 SLAM 方法对废墟环境建 模，在提高废墟内部环境描述适用程度的同时，降 低算法计算复杂度以满足救援效率需求．
Fig.1
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2
面向废墟环境的地图表示方法构建机制 （Building mechanisms for the map representation of ruins environments）
图 1 废墟内部破坏形态及对应轮廓 General destructive patterns and corresponding contours of the interior of ruins environments
摘 要：针对废墟内部环境震害形态特点，提出面向废墟环境的地图表示方法构建机制．采用基于拓扑米制混 合地图的表达方法在不同层次描述废墟环境．算法利用全局拓扑地图组织整体结构确保系统计算能力、 环境适用性 和交互性， 并在各拓扑节点区域创建局部米制地图， 描述破坏形态形成的不规则障碍．通过废墟模拟环境进行实验， 验证了该算法在复杂环境中的同步定位及地图创建能力， 证明该算法在实际救援等领域具有可行性及有效性． 关键词：废墟环境；同步定位与地图创建； 拓扑地图； 米制地图；混合地图 中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1002-0446(2013)-06-0762-07
米 制 地 图
低维静 态局部 空间
(1) 拓扑地图 P1 ：表示空间关系的抽象地图，属 于近似描述，存储空间和计算时间要求低．适用于 大规模室内环境建模， 能够组织环境高级特征． (2) 米制地图：采用统一坐标表示环境，适用低 维空间，栅格地图 P2 能够表达非规则障碍物，实现 精确定位，但精确度和计算量相冲突；特征地图 P3 数据紧凑、 有较多特征匹配机会， 但限于特定环境． 2.4 废墟内部环境地图表示方法决策 基于废墟内部环境 SLAM 创建目标，系统构建 需要满足废墟内部震害形态表述和紧急搜救的效率 要求， 即适用性 C1 和计算能力 C3 准则权重较高； 根
第 35 卷第 6 期 2013 年 11 月 DOI：10.3724/SP.J.1218.2013.00762
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Vol.35, No.6 Nov., 2013
基于拓扑米制混合地图的废墟环境同步定位与地图创建
王 楠 1,2 ，马书根 1,3 ，李 斌 1 ，王明辉 1 ，赵明扬 1
（1. 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室， 辽宁 沈阳 110016； 2. 中国科学院大学， 北京 100049； 3. 立命馆大学理工学部， 日本 滋贺 525-8577）
Abstract: A map representation method with an effective map building mechanism for representation of ruins environments is presented. Based on the hybrid metric-topological map representation, the ruins environment is described at different levels, according to the morphological characteristics in the interior of ruins environments after a seismic disaster. The whole environment is described on the basis of the global topological map, to ensure the system computing capability, ambient adaptability and friendly interaction, while building a local metric map at each topological node region, to represent clearly the irregular obstacle formed by a destructive pattern. The experiments in an artificial ruins environment demonstrate that the method can realize the simultaneous localization and mapping in complex environment, which indicates the feasibility and validity of the algorithm in practical search and rescue fields. Keywords: ruins environment; simultaneous localization and mapping; topological map; metric map; hybrid map
1 引言（Introduction）
针对废墟救援领域对特种机器人的迫切需求， 研制和开发用于搜寻营救的自主机器人系统已经成 为机器人学研究的新方向．自主式移动机器人关键 技术在于环境感知、思维和决策能力，其中机器人 定位和地图创建是机器人自主化的前提条件，具有 重要的研究意义． 废墟内部救援环境是复杂未知的非结构环境， 缺乏全局位置信息，要求机器人根据机载传感器递 增地创建地图， 并同时利用该地图对自身进行定位， 即同步定位与地图创建问题（simultaneous localization and mapping，SLAM） ．其特殊性在于机器人位
废墟空间中随机堆放大量的建筑破碎构件，包 括断裂楼板、 柱、 梁等． 废墟内部环境主要表现为板 柱结构的震害形态，如图 1 所示，常见局部破坏形 态如墙柱的狭缝、断裂等现象在 2 维平面呈现复杂 的边界变化形态，而整体环境全局结构保持震前连 通性， 障碍物分布稀疏， 缺少统一的适量特征．
᷅⸈ണ㺖㓱
基金项目： 江苏省高校自然科学基金资助项目（11KJB510024） ． 通讯作者： 王楠， wangnan@sia.cn 收稿／ 录用／ 修回： 2013-03-29/2013-06-03/2013-06-21
第 35 卷第 6 期
王楠， 等： 基于拓扑米制混合地图的废墟环境同步定位与地图创建
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如何根据环境特点和任务性质选择地图表示方 法直接影响同步定位与地图创建系统的整体性能， 本文提出地图表示方法构建机制，首先分析同步定 位与地图创建系统基础准则，并针对应用背景分析 目标权值；其次对比常用地图表示方法属性，最终 得到面向废墟环境的地图表示方法决策． 2.1 同步定位与地图创建基础准则 根据 SLAM 系统构建目标与评估准则建立系统 目标空间 O： O = {Ci |i = 1 : k} (1) 其中， 构建准则 Ci 包括： (1) 适用性 C1 ：地图的数据结构组织形式能够 描述应用环境， 算法对任务需求的满足程度； (2) 精确度 C2 ：环境描述精度， 通常利用机器人 位姿和环境特征位置的协方差椭圆面积衡量； (3) 计算能力 C3 ：指算法复杂度、 计算速度和内 存消耗程度； (4) 交互性 C4 ：用户友好程度， 算法输出是否符 合人类认知习惯， 是否适用规划导航应用． 2.2 废墟内部环境震害形态分析 废墟是指地震作用下结构的各种破坏形态，内 部环境由破坏严重甚至完全倒塌的构筑物及连接管 道组成 [5] ， 局部破坏较易出现， 主要特征包括： (1) 墙体裂缝、 倒塌， 构造柱裂纹甚至折断； (2) 混凝土柱、 梁折断， 钢筋变形外露； (3) 坍塌倒塌部分形成堆积废墟．
置和环境地图两者均未知， 估计过程缺少绝对参考， 两者相互依赖， 不断迭代且高度相关． 现阶段面向废墟环境的同步定位与地图创建问 题逐渐成为了机器人研究热点．伊朗德黑兰大学的 Soleimani 等人通过检测无人机航拍中的灾难前后 不变特征进行废墟外部环境建图与定位 [1] ．针对倒 塌建筑内通向开阔区域的狭窄沟渠，日本冈山大学 的 Nagatani 等提出 S-DEM 算法进行 3 维空间定位 和环境建模 [2] ．日本东北大学的 Ohno 等人利用履 带机器人 Kenaf 在模拟灾难城市采集环境数据并验 证其 3 维地图构建方法，并分析实际救援中机器人 系统和地图表示方法的限制 [3] ． 德国的 Schwertfeger 等人以 RoboCup 救援为背景，根据应用需求通过基
Simultaneous Localization and Mapping Based on the Hybrid Metric-Topological Map in the Ruins Environment
WANG Nan1,2 ，MA Shugen1,3 ，LI Bin1 ，WANG Minghui1 ，ZHAO Mingyang1
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2013 年 11 月
据方案 P 属性对比可得多目标决策空间 D： D = { f (Pj )| j = 1 : k} (2)
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基于拓扑米制混合地图的 SLAM 系统创 建 （Building of SLAM system based on the hybrid metric-topological map）
2.3 地图表示方案对比 根据创建准则对 SLAM 问题现有地图表示方法 Pi 进行属性分析， 如表 1 所示．
பைடு நூலகம்表 1 常用地图表示方法比较 Tab.1 Comparison of common map representations 优点 拓扑 地图 缺点 适用环境
计算能力强、 室内大 需节点识别、 能有效组织环 规模环 近似定位 境、 适用导航 境 能够描述细 计算复杂、 存 定位精确、 栅 节、 储空间需求 格 对环境没有特 大 殊限制 特 征 参数化表示、 限于特定环 便于精确定 境、 需数据关 位、 易融入 联 SLAM
废墟内部属于大尺度准结构化室内环境，半倒塌建 筑存在墙、柱等不变结构，环境具有一定的先验知 识，能够利用灾难前的室内环境典型特征作为拓扑 节点识别依据，建立全局地图，且拓扑地图计算能 力较强，符合人类认知习惯，能够提供理想情况下 建筑物的全局定性结构和连通信息，满足计算能力 和交互性准则． 局部破坏结构轮廓的不规则和复杂性，无法用 合适的参数进行显式表达，甚至难以预知具体的参 数类型，本文采用局部栅格地图表示破坏结构形成 的不规则障碍物详细度量信息以满足适用性和精确 性需求．考虑废墟地形不平整问题，选择栅格地图 能够作为融合高程信息的 2.5 维地图技术储备． 综上所述，本文采用拓扑米制混合地图作为面 向废墟内部环境 SLAM 系统决策方案，创建机制流 程如图 2 所示， 虚线指方案属性值或准则权值略低．
准地图度量标准评估地图质量，提出了一种通过设 置人工路标作为基准点的评估方法，并归纳影响地 图质量的主要因素 [4] ． 面向废墟内部环境的 SLAM 系统既需要满足 震害形态描述需求，又需要满足紧急搜救的效率需 求，但现有方案不能同时满足上述要求．废墟内部 SLAM 地图表示问题的难点在于如何选用一个能够 描述该特殊环境的方法，同时该地图还能够与机器 人位姿一起进行更新．另外，如何降低适用于复杂 环境的 SLAM 算法计算复杂度也尤为重要．本文在 分析实际废墟内部破坏结构基础上，从环境建模角 度出发，提出一种地图表示方法构建机制，并利用 基于拓扑米制混合地图的 SLAM 方法对废墟环境建 模，在提高废墟内部环境描述适用程度的同时，降 低算法计算复杂度以满足救援效率需求．
Fig.1
䩶ㄟবᔶǃ䴆 צภ⠽ේ鳥ᑳ
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面向废墟环境的地图表示方法构建机制 （Building mechanisms for the map representation of ruins environments）
图 1 废墟内部破坏形态及对应轮廓 General destructive patterns and corresponding contours of the interior of ruins environments
摘 要：针对废墟内部环境震害形态特点，提出面向废墟环境的地图表示方法构建机制．采用基于拓扑米制混 合地图的表达方法在不同层次描述废墟环境．算法利用全局拓扑地图组织整体结构确保系统计算能力、 环境适用性 和交互性， 并在各拓扑节点区域创建局部米制地图， 描述破坏形态形成的不规则障碍．通过废墟模拟环境进行实验， 验证了该算法在复杂环境中的同步定位及地图创建能力， 证明该算法在实际救援等领域具有可行性及有效性． 关键词：废墟环境；同步定位与地图创建； 拓扑地图； 米制地图；混合地图 中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1002-0446(2013)-06-0762-07
米 制 地 图
低维静 态局部 空间
(1) 拓扑地图 P1 ：表示空间关系的抽象地图，属 于近似描述，存储空间和计算时间要求低．适用于 大规模室内环境建模， 能够组织环境高级特征． (2) 米制地图：采用统一坐标表示环境，适用低 维空间，栅格地图 P2 能够表达非规则障碍物，实现 精确定位，但精确度和计算量相冲突；特征地图 P3 数据紧凑、 有较多特征匹配机会， 但限于特定环境． 2.4 废墟内部环境地图表示方法决策 基于废墟内部环境 SLAM 创建目标，系统构建 需要满足废墟内部震害形态表述和紧急搜救的效率 要求， 即适用性 C1 和计算能力 C3 准则权重较高； 根