近日，北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院謝廣明團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人領(lǐng)域國際頂級期刊The International Journal of Robotics Research(IJRR)上發(fā)表重要研究成果，提出Electro-SLAM——一種集成主動(dòng)與被動(dòng)電感知的分布式水下同步定位與建圖(SLAM)系統(tǒng)。該研究為復(fù)雜、黑暗及渾濁水域中的水下機(jī)器人自主感知與協(xié)同作業(yè)提供了全新解決方案。該期刊是機(jī)器人領(lǐng)域公認(rèn)的國際頂級學(xué)術(shù)期刊之一。該論文是北京大學(xué)作為第一完成單位在IJRR發(fā)表的首篇研究論文，標(biāo)志著學(xué)校在水下機(jī)器人與新型感知SLAM研究方向取得重要突破。

　　復(fù)雜水域環(huán)境的感知與探測長期以來是制約水下機(jī)器人發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。目前尚缺乏一種在真實(shí)水下環(huán)境中兼具穩(wěn)定性與魯棒性的理想SLAM技術(shù)。傳統(tǒng)應(yīng)用于陸地或空中場景的SLAM系統(tǒng)通常依賴視覺、激光雷達(dá)和聲吶等傳感模態(tài)，但在水下環(huán)境中均面臨顯著挑戰(zhàn)：視覺傳感器易受光衰減影響，在黑暗或渾濁水域中難以工作；激光雷達(dá)的有效探測距離會(huì)隨水體濁度增加而急劇縮短；聲吶則對多路徑效應(yīng)和后向散射噪聲高度敏感，容易引發(fā)感知混淆、定位漂移及地圖殘缺等問題。

　　受弱電魚在黑暗渾濁水域中依賴電感知進(jìn)行環(huán)境探測的生物機(jī)制啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)首次提出以電感知作為主要感知方式的水下SLAM系統(tǒng)框架。與傳統(tǒng)基于視覺或聲吶的方法不同，Electro-SLAM充分利用電感知在近距離環(huán)境感知中的獨(dú)特優(yōu)勢，能夠在視覺嚴(yán)重退化、光照極弱或水體高度渾濁等極端條件下，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的邊界檢測與環(huán)境建圖。

　　該系統(tǒng)無需外部基礎(chǔ)設(shè)施支持，可在未知水下環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的分布式環(huán)境感知與協(xié)同建圖。通過將生物啟發(fā)式傳感機(jī)制與分布式多機(jī)器人自主系統(tǒng)相結(jié)合，Electro-SLAM為黑暗、渾濁及通信受限水域提供了一種全新的SLAM范式，為水下具身智能的發(fā)展開辟了新的研究方向。

　　在具體方法上，論文首先提出了一種完整且輕量化的電感知硬件與算法解決方案，具備主動(dòng)與被動(dòng)兩種傳感模式，能夠方便地集成至小型自主水下機(jī)器人平臺?；诖?，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一套基于主動(dòng)電感知的單機(jī)器人SLAM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了邊界檢測、邊界跟蹤、局部語義映射以及分層定位功能。

　　進(jìn)一步地，論文提出了一套基于被動(dòng)電感知的分布式多機(jī)器人協(xié)作SLAM方案，包括一種利用被動(dòng)電感知實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人間相對位姿估計(jì)方法，以及一個(gè)支持局部地圖融合與協(xié)同定位的完全分布式系統(tǒng)框架，有效解決了電感知缺乏傳統(tǒng)幾何特征或視覺描述符所帶來的技術(shù)難題。

　　該研究為水下非可視化、非結(jié)構(gòu)化及通信受限環(huán)境中的自主定位與環(huán)境測繪奠定了重要基礎(chǔ)，在水下探測、資源勘察、水下基礎(chǔ)設(shè)施巡檢及極端環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。未來，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，融合傳統(tǒng)傳感手段與創(chuàng)新理論建模方法，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向真實(shí)復(fù)雜應(yīng)用場景，讓前沿科技成果服務(wù)于更多實(shí)際需求。

　　本論文第一作者為北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院博士研究生楊啟業(yè)，通訊作者為謝廣明教授和北京大學(xué)軟件工程國家工程研究中心王晨副研究員。合作者包括清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院鄭君政以及博雅工道(北京)機(jī)器人科技有限公司熊明磊。相關(guān)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。