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        移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀與展望

        2016-10-19 08:22:11亓默涵
        中國(guó)科技博覽 2016年18期
        關(guān)鍵詞:移動(dòng)機(jī)器人展望現(xiàn)狀

        亓默涵

        [摘 要]當(dāng)前,移動(dòng)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)、科研實(shí)驗(yàn)和社會(huì)服務(wù)等領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。本文著重探討移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù),介紹移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航方式,分析目前導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,闡述移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),為有關(guān)研究機(jī)構(gòu)提供有價(jià)值參考。

        [關(guān)鍵詞]移動(dòng)機(jī)器人 導(dǎo)航技術(shù) 現(xiàn)狀 展望

        中圖分類號(hào):TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-914X(2016)18-0147-01

        移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航是利用其傳感器,掃描、收集周圍環(huán)境信息,確定路線規(guī)劃并編輯程序使其移動(dòng)。筆者認(rèn)為,經(jīng)過(guò)業(yè)內(nèi)科研人員不懈努力,移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)不論在理論研究或應(yīng)用實(shí)踐均取得積極成效,但展望未來(lái),理論研究有待補(bǔ)充,技術(shù)難題亟待解決。

        1. 移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式概述

        移動(dòng)機(jī)器人在利用導(dǎo)航技術(shù)獲取周邊環(huán)境信息以確定行走方向或所在位置時(shí),需綜合利用科學(xué)算法,得出數(shù)據(jù)模型并形成指令,方可規(guī)劃最優(yōu)路徑。

        1.1.電磁導(dǎo)航

        電磁導(dǎo)航是最早被研發(fā)的導(dǎo)航技術(shù)。技術(shù)人員在機(jī)器人預(yù)設(shè)路線上設(shè)置多條電線,機(jī)器人在運(yùn)行中通過(guò)接收電流頻率,通過(guò)感應(yīng)線圈感知行走指令[1]。經(jīng)過(guò)多年嘗試,科研人員認(rèn)定該方法準(zhǔn)確率高且運(yùn)用簡(jiǎn)單,但前期鋪設(shè)電線需消耗過(guò)多人力、物力,因此該方法的維護(hù)成本較高。

        1.2.視覺(jué)導(dǎo)航

        視覺(jué)導(dǎo)航是機(jī)器人常用導(dǎo)航技術(shù),其特點(diǎn)是探測(cè)信號(hào)范圍廣、信息獲取準(zhǔn)度高。研究人員在移動(dòng)機(jī)器人頭部安裝巡航影像系統(tǒng),其內(nèi)部含有傳感器辨識(shí)系統(tǒng)、圖像辨別系統(tǒng)和路徑規(guī)劃技術(shù)等。視覺(jué)導(dǎo)航采用電荷耦合器件圖像傳感器(簡(jiǎn)稱CCD),它是集信息劃分、整理、讀取為一體的綜合傳感器,當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí),CCD傳感器會(huì)將傳輸至系統(tǒng)原件的電荷轉(zhuǎn)移至影像系統(tǒng)內(nèi)的二維傳感器進(jìn)行合成,通過(guò)系統(tǒng)掃描對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化建模,形成指令[2]。

        1.3.其他導(dǎo)航技術(shù)

        光反射導(dǎo)航是在機(jī)器人接收外界光線頻率以自主移動(dòng)。該方法成本低廉、操作簡(jiǎn)單,也是國(guó)內(nèi)機(jī)器人研發(fā)機(jī)構(gòu)使用較廣泛的方法。

        聲音導(dǎo)航技術(shù)是機(jī)器人利用內(nèi)部聲音識(shí)別系統(tǒng)辨識(shí)無(wú)規(guī)律、無(wú)方向的聲音頻率,尤其是在光線不充足環(huán)境中,機(jī)器人可通過(guò)聲音精確定位;另外,味覺(jué)導(dǎo)航是應(yīng)用于機(jī)器人內(nèi)部高靈敏度的化學(xué)傳感器,根據(jù)氣味、氣流方向檢測(cè)氣流濃度情況,便于機(jī)器人搜尋氣源,確定行程路線。

        2. 探討移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

        筆者認(rèn)為,移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)在精確定位、路徑規(guī)劃、信息融合等方面有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì),但仍需提升技術(shù)指標(biāo),校準(zhǔn)誤差,確保導(dǎo)航準(zhǔn)確性。

        2.1.導(dǎo)航定位

        國(guó)內(nèi)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)一般采用相對(duì)定位法,通過(guò)篩選距離、測(cè)定方位、計(jì)算最優(yōu)路徑等步驟,確保機(jī)器人按預(yù)定路線移動(dòng)。該方法收集數(shù)據(jù)速度較快,但長(zhǎng)期精準(zhǔn)較差。近些年,國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)引進(jìn)了慣性導(dǎo)航法,即利用陀螺儀測(cè)算機(jī)器人內(nèi)部控件轉(zhuǎn)速,利用加速計(jì)計(jì)算運(yùn)動(dòng)加速度,反復(fù)測(cè)量以求得累積測(cè)量值。慣性導(dǎo)航法提升了測(cè)算效率,但在計(jì)算過(guò)程中無(wú)法避免時(shí)間誤差,若機(jī)器人移動(dòng)距離較長(zhǎng),誤差會(huì)逐漸增大,定位精準(zhǔn)度下降。

        國(guó)外機(jī)器人定位利用絕對(duì)定位法,即將機(jī)器人內(nèi)部導(dǎo)航系統(tǒng)與太空衛(wèi)星進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接,衛(wèi)星可向機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸全球定位信息,并對(duì)重點(diǎn)位置標(biāo)記,便于技術(shù)人員更好地掌握路徑環(huán)境數(shù)據(jù)。絕對(duì)定位法有助于機(jī)器人較精確地感知局部環(huán)境信息,進(jìn)一步減少誤差風(fēng)險(xiǎn)。

        2.2.規(guī)劃路徑

        路徑規(guī)范技術(shù)是機(jī)器人內(nèi)部搜索算法的實(shí)現(xiàn),即確定目的地后,系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算最優(yōu)路線信息,主要是測(cè)定最佳距離及避免障礙物。當(dāng)前,路徑規(guī)劃分為全局路徑技術(shù)與局部路徑技術(shù),其中,全局路徑技術(shù)采用直線搜索法,即直接測(cè)算從起始點(diǎn)到終點(diǎn)的最短距離與最少用時(shí),將此為最優(yōu)線路設(shè)計(jì)依據(jù),而局部規(guī)劃技術(shù)是處于運(yùn)動(dòng)中的機(jī)器人及時(shí)收集局部環(huán)境數(shù)據(jù),并測(cè)算其加速度和檢測(cè)內(nèi)部性能,利用計(jì)算數(shù)值構(gòu)造模型,以控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)不偏離預(yù)計(jì)方向。

        2.3.傳感器的信息融合

        傳感器是機(jī)器人應(yīng)用導(dǎo)航技術(shù)的載體。為強(qiáng)化傳感器信號(hào)輸入的準(zhǔn)確性與可靠性,國(guó)內(nèi)外研發(fā)機(jī)構(gòu)會(huì)在機(jī)器人頂部安置多位傳感器,既促進(jìn)對(duì)環(huán)境信息收集、分析和運(yùn)算速度,提升了測(cè)算準(zhǔn)確性,又使多部傳感器發(fā)揮重組或互補(bǔ)優(yōu)勢(shì),進(jìn)一步完善系統(tǒng)數(shù)據(jù)計(jì)算的互補(bǔ)性,保證系統(tǒng)運(yùn)行高速和準(zhǔn)確性。另外,傳感器技術(shù)是模仿生物神經(jīng)系統(tǒng)處理信息模式,一般進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境下的信息描述和系統(tǒng)測(cè)算工作,用于篩選采集樣本、辨識(shí)信息的正誤,充分保證了多位傳感器系統(tǒng)的高度統(tǒng)一性。

        3. 淺談移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)展望

        目前,移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航領(lǐng)域的信息處理、精準(zhǔn)定位等研究理論和技術(shù)改造不斷提升,隨著網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)日益發(fā)展,未來(lái)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)會(huì)有更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和更困難的問(wèn)題等待我們?nèi)ヌ剿?、解決。

        3.1.改進(jìn)視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)

        未來(lái)一段時(shí)間內(nèi),視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)需重點(diǎn)提升系統(tǒng)測(cè)算精度,擴(kuò)充數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量,提高圖像處理速度。筆者認(rèn)為,視覺(jué)導(dǎo)航的發(fā)展趨勢(shì)是提高處理圖像靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的信息識(shí)別,使機(jī)器人時(shí)刻根據(jù)周邊環(huán)境變化以改進(jìn)路線,讓導(dǎo)航系統(tǒng)探測(cè)范圍更廣、信息收集更完整及圖像處理實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。

        3.2.提升傳感器技術(shù)融合性

        目前,機(jī)器人導(dǎo)航的多為傳感器融合技術(shù),進(jìn)一步促進(jìn)了信息的融合性。但該技術(shù)適用環(huán)境需嚴(yán)格限制,原因是部分傳感器性能無(wú)法與視覺(jué)導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航等技術(shù)充分融合,無(wú)法勝任高精度測(cè)算任務(wù)[3]。因此,未來(lái)需要進(jìn)一步探究如何提升傳感器與不同導(dǎo)航系統(tǒng)的融合性,并加以改進(jìn),讓機(jī)器人將來(lái)可不受環(huán)境約束,加速信息的融合、處理,不斷地獲取高精度的數(shù)據(jù)。

        3.3.提升機(jī)器人系統(tǒng)性能

        通常,機(jī)器人系統(tǒng)處理信息效率越高,則導(dǎo)航結(jié)果越精確,機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)在收集外界信息后,將其分解、歸類為基礎(chǔ)信息并逐一處理[4]。未來(lái),科研人員通過(guò)升級(jí)當(dāng)前系統(tǒng),開(kāi)發(fā)模塊信息平臺(tái),讓不同信息同時(shí)列于平臺(tái)上處理,提升系統(tǒng)運(yùn)行效率。

        日后,國(guó)內(nèi)外的機(jī)器人研發(fā)機(jī)構(gòu)還會(huì)加強(qiáng)多位機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用。設(shè)計(jì)連接程序,將不同機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)串聯(lián),使多個(gè)機(jī)器人利用空間通信法相互分享不同方位測(cè)定的數(shù)據(jù),以此判定到達(dá)位置的最優(yōu)路徑,使機(jī)器人資源可最大化利用。

        4. 結(jié)語(yǔ)

        筆者認(rèn)為,現(xiàn)階段機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)為將來(lái)更進(jìn)一步實(shí)施技術(shù)改進(jìn)打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。今后,我們更需提高移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的定位精確性、信息融合性等方面,進(jìn)一步創(chuàng)新研發(fā)更優(yōu)質(zhì)性能的導(dǎo)航系統(tǒng),并將網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的理念和技術(shù)逐漸滲入到機(jī)器人導(dǎo)航的研究領(lǐng)域,提高導(dǎo)航的人工智能性,使移動(dòng)機(jī)器人更加造福于人類社會(huì)。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 林義閩.未知環(huán)境中智能機(jī)器人的視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué),2014.

        [2] 蔣浩然,陳軍,王虎,雷王利,袁池. 移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)研究進(jìn)展[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,12:207-213.

        [3] 張亮.動(dòng)態(tài)環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)研究[D].武漢科技大學(xué),2013

        [4] 鄭宏.移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航和SLAM系統(tǒng)研究[D].上海交通大學(xué),2007.

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