70年代末，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人研究又出現(xiàn)了新的高潮。特別是在80年代中期，設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司開始研制移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，這些移動(dòng)機(jī)器人主要作為大學(xué)實(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。
移動(dòng)機(jī)器人目前已經(jīng)遍布軍事、工業(yè)、民用等各大領(lǐng)域，并還在不斷的發(fā)展中，目前移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)已獲得了可喜的進(jìn)展，研究成果令人鼓舞，但對(duì)于實(shí)際中的應(yīng)用需求還需要長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，相信隨著傳感技術(shù)、智能技術(shù)和計(jì)算技術(shù)等的不斷提高，智能移動(dòng)機(jī)器人一定能夠在生產(chǎn)和生活中扮演人的角色。那么移動(dòng)機(jī)器人定位技術(shù)主要涉及到哪些呢?經(jīng)總結(jié)目前移動(dòng)機(jī)器人主要有這5大定位技術(shù)。
一、移動(dòng)機(jī)器人超聲波導(dǎo)航定位技術(shù)
超聲波導(dǎo)航定位的工作原理也與激光和紅外類似，通常是由超聲波傳感器的發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波，超聲波在介質(zhì)中遇到障礙物而返回到接收裝置。
通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號(hào)，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收時(shí)間差及傳播速度，計(jì)算出傳播距離S，就能得到障礙物到機(jī)器人的距離，即有公式：S=Tv/2式中，T—超聲波發(fā)射和接收的時(shí)間差;v—超聲波在介質(zhì)中傳播的波速。
當(dāng)然，也有不少移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航定位技術(shù)中用到的是分開的發(fā)射和接收裝置，在環(huán)境地圖中布置多個(gè)接收裝置，而在移動(dòng)機(jī)器人上安裝發(fā)射探頭。
在移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航定位中，因?yàn)槌暡▊鞲衅髯陨淼娜毕?，如：鏡面反射、有限的波束角等，給充分獲得周邊環(huán)境信息造成了困難，因此，通常采用多傳感器組成的超聲波傳感系統(tǒng)，建立相應(yīng)的環(huán)境模型，通過串行通信把傳感器采集到的信息傳遞給移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再根據(jù)采集的信號(hào)和建立的數(shù)學(xué)模型采取一定的算法進(jìn)行對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)處理便可以得到機(jī)器人的位置環(huán)境信息。
由于超聲波傳感器具有成本低廉、采集信息速率快、距離分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)被廣泛地應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航定位中。而且它采集環(huán)境信息時(shí)不需要復(fù)雜的圖像配備技術(shù)，因此測(cè)距速度快、實(shí)時(shí)性好。
同時(shí)，超聲波傳感器也不易受到如天氣條件、環(huán)境光照及障礙物陰影、表面粗糙度等外界環(huán)境條件的影響。超聲波進(jìn)行導(dǎo)航定位已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各種移動(dòng)機(jī)器人的感知系統(tǒng)中。
二、移動(dòng)機(jī)器人視覺導(dǎo)航定位技術(shù)
在視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的是基于局部視覺的在機(jī)器人中安裝車載攝像機(jī)的導(dǎo)航方式。在這種導(dǎo)航方式中，控制設(shè)備和傳感裝置裝載在機(jī)器人車體上，圖像識(shí)別、路徑規(guī)劃等高層決策都由車載控制計(jì)算機(jī)完成。
視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要包括：攝像機(jī)(或CCD圖像傳感器)、視頻信號(hào)數(shù)字化設(shè)備、基于DSP的快速信號(hào)處理器、計(jì)算機(jī)及其外設(shè)等。現(xiàn)在有很多機(jī)器人系統(tǒng)采用CCD圖像傳感器，其基本元件是一行硅成像元素，在一個(gè)襯底上配置光敏元件和電荷轉(zhuǎn)移器件，通過電荷的依次轉(zhuǎn)移，將多個(gè)象素的視頻信號(hào)分時(shí)、順序地取出來(lái)，如面陣CCD傳感器采集的圖像的分辨率可以從32×32到1024×1024像素等。
視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是對(duì)機(jī)器人周邊的環(huán)境進(jìn)行光學(xué)處理，先用攝像頭進(jìn)行圖像信息采集，將采集的信息進(jìn)行壓縮，然后將它反饋到一個(gè)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法構(gòu)成的學(xué)習(xí)子系統(tǒng)，再由學(xué)習(xí)子系統(tǒng)將采集到的圖像信息和機(jī)器人的實(shí)際位置聯(lián)系起來(lái)，完成機(jī)器人的自主導(dǎo)航定位功能。
三、GPS全球定位系統(tǒng)
如今，在智能機(jī)器人的導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用中，一般采用偽距差分動(dòng)態(tài)定位法，用基準(zhǔn)接收機(jī)和動(dòng)態(tài)接收機(jī)共同觀測(cè)4顆GPS衛(wèi)星，按照一定的算法即可求出某時(shí)某刻機(jī)器人的三維位置坐標(biāo)。差分動(dòng)態(tài)定位消除了星鐘誤差，對(duì)于在距離基準(zhǔn)站1000km的用戶，可以消除星鐘誤差和對(duì)流層引起的誤差，因而可以顯著提高動(dòng)態(tài)定位精度。
但是因?yàn)樵谝苿?dòng)導(dǎo)航中，移動(dòng)GPS接收機(jī)定位精度受到衛(wèi)星信號(hào)狀況和道路環(huán)境的影響，同時(shí)還受到時(shí)鐘誤差、傳播誤差、接收機(jī)噪聲等諸多因素的影響，因此，單純利用GPS導(dǎo)航存在定位精度比較低、可靠性不高的問題，所以在機(jī)器人的導(dǎo)航應(yīng)用中通常還輔以磁羅盤、光碼盤和GPS的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航。另外，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)也不適應(yīng)用在室內(nèi)或者水下機(jī)器人的導(dǎo)航中以及對(duì)于位置精度要求較高的機(jī)器人系統(tǒng)。
四、移動(dòng)機(jī)器人光反射導(dǎo)航定位技術(shù)
典型的光反射導(dǎo)航定位方法主要是利用激光或紅外傳感器來(lái)測(cè)距。激光和紅外都是利用光反射技術(shù)來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航定位的。
激光全局定位系統(tǒng)一般由激光器旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、反射鏡、光電接收裝置和數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置等部分組成。
工作時(shí)，激光經(jīng)過旋轉(zhuǎn)鏡面機(jī)構(gòu)向外發(fā)射，當(dāng)掃描到由后向反射器構(gòu)成的合作路標(biāo)時(shí)，反射光經(jīng)光電接收器件處理作為檢測(cè)信號(hào)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序讀取旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的碼盤數(shù)據(jù)(目標(biāo)的測(cè)量角度值)，然后通過通訊傳遞到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)已知路標(biāo)的位置和檢測(cè)到的信息，就可以計(jì)算出傳感器當(dāng)前在路標(biāo)坐標(biāo)系下的位置和方向，從而達(dá)到進(jìn)一步導(dǎo)航定位的目的。
激光測(cè)距具有光束窄、平行性好、散射小、測(cè)距方向分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它也受環(huán)境因素干擾比較大，因此采用激光測(cè)距時(shí)怎樣對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行去噪等也是一個(gè)比較大的難題，另外激光測(cè)距也存在盲區(qū)，所以光靠激光進(jìn)行導(dǎo)航定位實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，在工業(yè)應(yīng)用中，一般還是在特定范圍內(nèi)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，如檢測(cè)管道裂縫等場(chǎng)合應(yīng)用較多。
紅外傳感技術(shù)經(jīng)常被用在多關(guān)節(jié)機(jī)器人避障系統(tǒng)中，用來(lái)構(gòu)成大面積機(jī)器人“敏感皮膚”，覆蓋在機(jī)器人手臂表面，可以檢測(cè)機(jī)器人手臂運(yùn)行過程中遇到的各種物體。
典型的紅外傳感器包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管。由紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)，紅外光敏管接收目標(biāo)物反射的紅外調(diào)制信號(hào)，環(huán)境紅外光干擾的消除由信號(hào)調(diào)制和專用紅外濾光片保證。設(shè)輸出信號(hào)Vo代表反射光強(qiáng)度的電壓輸出，則Vo是探頭至工件間距離的函數(shù)：Vo=f(x，p)式中，p—工件反射系數(shù)。p與目標(biāo)物表面顏色、粗糙度有關(guān)。x—探頭至工件間距離。
當(dāng)工件為p值一致的同類目標(biāo)物時(shí)，x和Vo一一對(duì)應(yīng)。x可通過對(duì)各種目標(biāo)物的接近測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到。這樣通過紅外傳感器就可以測(cè)出機(jī)器人距離目標(biāo)物體的位置，進(jìn)而通過其他的信息處理方法也就可以對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航定位。
雖然紅外傳感定位同樣具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)樗鼈兘嵌确直媛矢撸嚯x分辨率低，因此在移動(dòng)機(jī)器人中，常用作接近覺傳感器，探測(cè)臨近或突發(fā)運(yùn)動(dòng)障礙，便于機(jī)器人緊急停障。
五、目前主流的機(jī)器人定位技術(shù)是SLAM技術(shù)(Simultaneous Localization and Mapping即時(shí)定位與地圖構(gòu)建)。
行業(yè)領(lǐng)先的服務(wù)機(jī)器人企業(yè)，大多都采用了SLAM技術(shù)。唯有(SLAMTEC)思嵐科技在SLAM技術(shù)上獨(dú)占優(yōu)勢(shì)，到底什么是SLAM技術(shù)呢?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，SLAM技術(shù)是指機(jī)器人在未知環(huán)境中，完成定位、建圖、路徑規(guī)劃的整套流程。
SLAM(Simultaneous Localization and Mapping，即時(shí)定位與地圖構(gòu)建)，自1988年被提出以來(lái)，主要用于研究機(jī)器人移動(dòng)的智能化。對(duì)于完全未知的室內(nèi)環(huán)境，配備激光雷達(dá)等核心傳感器后，SLAM技術(shù)可以幫助機(jī)器人構(gòu)建室內(nèi)環(huán)境地圖，助力機(jī)器人的自主行走。
SLAM問題可以描述為：機(jī)器人在未知環(huán)境中從一個(gè)未知位置開始移動(dòng)，在移動(dòng)過程中根據(jù)位置估計(jì)和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行自身定位，同時(shí)建造增量式地圖。
SLAM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑主要包括VSLAM、Wifi-SLAM與Lidar SLAM。
1.VSLAM(視覺SLAM)
指在室內(nèi)環(huán)境下，用攝像機(jī)、Kinect等深度相機(jī)來(lái)做導(dǎo)航和探索。其工作原 理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是對(duì)機(jī)器人周邊的環(huán)境進(jìn)行光學(xué)處理，先用攝像頭進(jìn)行圖像信息采集，將采集的信息進(jìn)行壓縮，然后將它反饋到一個(gè)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法構(gòu)成的學(xué)習(xí)子系統(tǒng)，再由學(xué)習(xí)子系統(tǒng)將采集到的圖像信息和機(jī)器人的實(shí)際位置聯(lián)系起來(lái)，完成機(jī)器人的自主導(dǎo)航定位功能。
但是，室內(nèi)的VSLAM仍處于研究階段，遠(yuǎn)未到實(shí)際應(yīng)用的程度。一方面，計(jì)算量太大，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的性能要求較高;另一方面，VSLAM生成的地圖(多數(shù)是點(diǎn)云)還不能用來(lái)做機(jī)器人的路徑規(guī)劃，需要進(jìn)一步探索和研究。
2.Wifi-SLAM
指利用智能手機(jī)中的多種傳感設(shè)備進(jìn)行定位，包括Wifi、GPS、陀螺儀、加 速計(jì)和磁力計(jì)，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)和模式識(shí)別等算法將獲得的數(shù)據(jù)繪制出準(zhǔn)確的室內(nèi)地圖。該技術(shù)的提供商已于2013年被蘋果公司收購(gòu)，蘋果公司是否已經(jīng)把 Wifi-SLAM 的科技用到iPhone上，使所有 iPhone 用戶相當(dāng)于攜帶了一個(gè)繪圖小機(jī)器人，這一切暫未可知。毋庸置疑的是，更精準(zhǔn)的定位不僅有利于地圖，它會(huì)讓所有依賴地理位置的應(yīng)用(LBS) 更加精準(zhǔn)。
3.Lidar SLAM
指利用激光雷達(dá)作為傳感器，獲取地圖數(shù)據(jù)，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)同步定位與地圖構(gòu)建。就技術(shù)本身而言，經(jīng)過多年驗(yàn)證，已相當(dāng)成熟，但Lidar成本昂貴這一瓶頸問題亟待解決。
Google無(wú)人駕駛汽車正是采用該項(xiàng)技術(shù)，車頂安裝的激光雷達(dá)來(lái)自美國(guó) Velodyne公司，售價(jià)高達(dá)7萬(wàn)美元以上。這款激光雷達(dá)可以在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)向周圍發(fā)射64束激光，激光碰到周圍物體并返回，便可計(jì)算出車體與周邊物體的距離。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)再根據(jù)這些數(shù)據(jù)描繪出精細(xì)的3D地形圖，然后與高分辨率地圖相結(jié)合，生成不同的數(shù)據(jù)模型供車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用。激光雷達(dá)占去了整車成本的一半，這可能也是 Google 無(wú)人車遲遲無(wú)法量產(chǎn)的原因之一。
激光雷達(dá)具有指向性強(qiáng)的特點(diǎn)，使得導(dǎo)航的精度得到有效保障，能很好地適應(yīng)室內(nèi)環(huán)境。但是，Lidar SLAM卻并未在機(jī)器人室內(nèi)導(dǎo)航領(lǐng)域有出色表現(xiàn)，原因就在于激光雷達(dá)的價(jià)格過于昂貴。
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