高仙是全球較早從事自主移動技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用探索的機器人公司之一。成立至今，高仙不斷打磨并完善了機器人全場景移動技術(shù)，并通過全球超過50+機型、1萬+機器人終端在5000+行業(yè)的落地積累，實現(xiàn)了從室內(nèi)到室外等不同環(huán)境、從清潔到安防等不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。高仙機器人全場景移動技術(shù)給越來越多的機器賦予了自主移動必需的“軀殼”、“大腦”和“靈魂”。

本篇文章，將概括性的介紹高仙機器人全場景移動技術(shù)，未來也將通過《高仙機器人全場景移動技術(shù)》系列文章，和大家一起分享高仙在追求全場景移動機器人應(yīng)用中所遇到的挑戰(zhàn)、思考和技術(shù)方案。

什么是全場景？

所謂“場景”，指的是一個事物存在的、并與之產(chǎn)生相互作用的周遭環(huán)境。機器人的應(yīng)用場景決定了機器人的形態(tài)和所需要的技術(shù)。我們可以從環(huán)境場景和業(yè)務(wù)場景兩個角度進行分析。

首先是環(huán)境場景。這里環(huán)境場景又可以分為兩個維度，即機器人的運行速度和環(huán)境的結(jié)構(gòu)化程度。圖1是一個以機器人運行速度和環(huán)境結(jié)構(gòu)化程度為橫縱坐標(biāo)的機器人應(yīng)用象限圖——左下角是以室內(nèi)家用掃地機為代表的低速、結(jié)構(gòu)化場景，右上角是以開放道路無人駕駛為代表的高速、非結(jié)構(gòu)化場景，應(yīng)用難度從左下角到右上角依次增大。

圖 1. 移動機器人應(yīng)用場景圖

其次是業(yè)務(wù)場景。對于移動機器人來講，目前的業(yè)務(wù)場景主要包括服務(wù)機器人、物流配送、清潔環(huán)衛(wèi)、安防和乘用車無人駕駛。不同的業(yè)務(wù)場景對于機器人的運行狀態(tài)有不同的要求。例如，服務(wù)機器人對于人機交互的人性化程度比較高，而其他應(yīng)用場景則不敏感；無人駕駛乘用車對于運行的舒適度、速度均有很高要求，而物流配送車則主要關(guān)心時效性。

目前高仙的機器人全場景移動技術(shù)通過50+機型、1萬+終端覆蓋了5000+行業(yè)，實現(xiàn)了以清潔、安防、樓宇配送三大垂直領(lǐng)域為主的室內(nèi)+室外跨場景應(yīng)用布局。廣闊的業(yè)務(wù)場景給高仙帶來了廣闊的發(fā)展空間，也帶來了對通用的、全場景的移動機器人技術(shù)的迫切需求。通過對市場和技術(shù)成熟度的綜合考慮，高仙決定以低速場景為切入點，打通室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境和室外非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的自主導(dǎo)航能力，逐步推進全場景移動機器人的研發(fā)。

系統(tǒng)架構(gòu)

高仙全場景移動機器人系統(tǒng)包括機器人端和后臺兩大部分。其中，機器人端包括了機器人上層的核心算法、中層的操作平臺以及下層的硬件系統(tǒng)，后臺包括了各項部署在云端、用來支撐核心算法的數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)調(diào)度和仿真等基礎(chǔ)能力。機器人端和后臺兩個部分相輔相成，互相配合，共同實現(xiàn)了高仙機器人的導(dǎo)航功能和作業(yè)任務(wù)。

圖2. 高仙全場景移動機器人系統(tǒng)

如果說硬件是機器人的軀殼，操作系統(tǒng)是機器人的大腦，那么核心算法就是機器人的靈魂。從功能上看，機器人核心算法包含四大模塊：建圖和定位、環(huán)境感知、路徑規(guī)劃和運動控制。其中，建圖和定位模塊回答了機器人“我在哪兒的問題”，環(huán)境感知模塊告訴機器人它的境遇，路徑規(guī)劃模塊回答了機器人“我要到哪兒去”和“如何去”的問題，最后運動控制模塊告訴它如何走好每一小步。

高仙采用SLAM（Simulaneous Localization and Mapping) 技術(shù)解決建圖和定位問題。通過對激光SLAM、視覺vSLAM和語義SLAM等多種技術(shù)的有效融合，我們提出了SLAM2.0技術(shù)，可實現(xiàn)貫通室內(nèi)和室外全場景的大規(guī)模建圖能力、機器人厘米級的精確定位能力、對環(huán)境的深度理解力和對地圖進行動態(tài)更新的能力。在環(huán)境感知方面，高仙開發(fā)了一套完整的的多模態(tài)多傳感器融合方案。我們綜合利用了激光、視覺攝像頭、深度攝像頭、超聲等多種傳感器模態(tài)，結(jié)合了機器人學(xué)、經(jīng)典機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等多種方法，以實現(xiàn)對周圍環(huán)境中靜態(tài)結(jié)構(gòu)（如室內(nèi)的桌椅板凳、室外的車道線等）的識別和對動態(tài)物體（如行人、車輛等）的檢測、追蹤和行為預(yù)測。在路徑規(guī)劃和運動控制方面，高仙的自研算法實現(xiàn)了復(fù)雜場景中實時高效的路徑規(guī)劃和準(zhǔn)確優(yōu)化的運動控制。

全場景的挑戰(zhàn)及思考

在前文中已經(jīng)提到，廣闊的業(yè)務(wù)場景給高仙帶來了很大的發(fā)展空間，也帶來了很多的技術(shù)挑戰(zhàn)。其中最大的挑戰(zhàn)便是，如何用一套導(dǎo)航算法賦能不同環(huán)境的、不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域的不同機器人。高仙的解決方法便是抽象建模和功能解耦。

抽象建模

請大家想象兩個機器人，第一個機器人是室外沿著路邊清掃落葉的大型環(huán)衛(wèi)機器人，第二個機器人是室內(nèi)沿著走廊行走的配送機器人，請大家思考一下他們的異同——雖然這兩個機器人的作業(yè)任務(wù)、作業(yè)環(huán)境和作業(yè)平臺都不相同，他們的工作本質(zhì)卻是相同的，即識別一個物理邊界并沿著它行走。高仙在進行算法設(shè)計的時候，會對不同任務(wù)、不同環(huán)境、不同硬件的機器人應(yīng)用進行建模，抽象并開發(fā)通用的基礎(chǔ)技術(shù)，力求用同一套算法實現(xiàn)看似迥異的場景應(yīng)用。

解耦導(dǎo)航功能與業(yè)務(wù)功能

圖3. 高仙機器人功能解耦

面對全場景應(yīng)用的挑戰(zhàn)，我們第二個解決思路是解耦，即解耦機器人的導(dǎo)航功能和業(yè)務(wù)功能，用一套通用的導(dǎo)航算法賦能不同的業(yè)務(wù)領(lǐng)域。我們打一個比喻就是，洗地機就是“駕駛員”加“清潔工”，安放巡邏機器人就是“駕駛員”加“哨兵”，等等（如圖3所示）。解耦的核心就是將業(yè)務(wù)邏輯和導(dǎo)航邏輯完全分離，并通過必要的通信完成二者的相互配合。

迭代式閉環(huán)開發(fā)

圖4. 高仙閉環(huán)迭代式開發(fā)

機器人技術(shù)是一項實驗性極強的技術(shù)，它的開發(fā)和完善一般需要很長的周期。為了實現(xiàn)產(chǎn)品的快速落地和從實踐中學(xué)習(xí)，高仙機器人技術(shù)的開發(fā)遵循著“迭代式”和“閉環(huán)”兩個原則。其中，迭代式指的是“不求完美，只求精進”，通過周期性的研發(fā)迭代不斷地打磨技術(shù)和產(chǎn)品；“閉環(huán)”指的是通過各個環(huán)節(jié)的性能反饋為技術(shù)的改進指明方向。高仙的閉環(huán)開發(fā)包括三個重要的反饋環(huán)節(jié)，即基于仿真的反饋、基于測試的反饋以及基于用戶真實數(shù)據(jù)的反饋。

總結(jié)

本文概括性的分享了高仙在打磨機器人全場景應(yīng)用過程中的基本思路，未來我們將通過《高仙全場景移動機器人技術(shù)》的系列文章，對機器人的定位與建圖、環(huán)境感知、路徑控制與運動規(guī)劃等技術(shù)的前沿趨勢、高仙的研發(fā)思路及挑戰(zhàn)做更詳盡的解析，敬請關(guān)注。