袁明敏　汪　燁/上海電機學院機械學院

服務機器人多傳感器數(shù)據(jù)融合技術研究

袁明敏汪燁/上海電機學院機械學院

【摘 要】服務機器人的自主導航過程通常處于不確定的環(huán)境中，單一的傳感器提供信息己經(jīng)無法滿足現(xiàn)代移動機器人的需求，多傳感器信息融合技術在機器人領域得到廣泛應用。項目以國家863重點項目成果“護理機器人”樣機為平臺，研究室內(nèi)移動服務機器人的多傳感器信息融合、路徑規(guī)劃與運動控制方法，為今后室內(nèi)機器人定位的研究提供理論依據(jù)和具有實用性的參考。

【關鍵詞】服務機器人；D-S論證；數(shù)據(jù)融合

引言

隨著機器人技術的發(fā)展，機器人的用途開始從傳統(tǒng)的工業(yè)領域不斷向軍事、醫(yī)療、服務等領域拓展。服務機器人是本世紀最有發(fā)展?jié)摿Φ囊粋€應用領域，據(jù)預測在未來一段時間內(nèi)服務機器人的需求數(shù)量將會超過工業(yè)機器人[1]。美國、歐洲、日本和韓國都制定了研制服務機器人的國家中遠期研究計劃。我國863計劃2006年開始將“智能機器人技術”列為專題，為服務機器人研究提供支持，推動服務機器人發(fā)展，因為服務機器人研制的意義為：(1)解決社會人口結構變化問題——全球性人口老齡化問題，為老人提供陪護服務，緩解社會壓力，并監(jiān)控環(huán)境安全[2]；(2)提高社會生活質(zhì)量，提供多種移動服務作業(yè)例如：導游、娛樂、清掃和網(wǎng)絡信息服務等，服務機器人可勝任伙伴；(3)提升家居環(huán)境智能，隨著IPV6技術的推進和3G時代的到來，家電網(wǎng)絡化和多功能化，服務機器人替主人擔當管家。在無人值守的室內(nèi)環(huán)境下服務機器人能夠擔當保姆角色與遠程家人實時保持交互，并監(jiān)控室內(nèi)安全；(4)在康復和助殘方面服務機器人也是病人的得力助手。

1.服務機器人技術的研究

服務機器人是一種自主或半自主的能夠提供服務而不是提供生產(chǎn)的機器人，這種機器人能夠改善人們的生活質(zhì)量[3]。服務機器人的研究始于上世紀60年代末期，Nilssen等人開始研制自主移動機器人(Autonomou mobile robot,AMR)Shakey，在復雜環(huán)境下將人工智能技術應用于機器人系統(tǒng)，以完成自主推理、規(guī)劃和控制的功能[5]。服務機器人應用范圍廣泛，TCSRIRAS在應用范圍上將服務機器人分為：清洗管家、教育機器人、類人機器人、人道主義排雷機器人、康復機器人、檢查監(jiān)視機器人、醫(yī)療機器人、建筑、自動回填機械、導游及辦公室環(huán)境、消防機器人、搜索及拯救機器人和食品工業(yè)等16種服務機器人并給出相關研究機構和科研成果[4]。Care-O-Bot III是Fraunhofer IPA研制的最新一代服務機器人，和前兩代產(chǎn)品相比，盡管也配有激光測距傳感器和視覺系統(tǒng)，但在控制方法、傳感器、中間件、運動學、皮膚和人機界面等方面做了很多改進[15-17]。

2.移動機器人多傳感器信息融合技術的研究

移動機器人在自主導航定位過程中，必須以有效且可靠的環(huán)境感知為基礎。由于各類傳感器信息的物理性能局限性、不完備性和不確定性，利用具有冗余性和互補性的多傳感器信息融合技術能全面地描述周圍的工作環(huán)境并提高系統(tǒng)的可靠性。目前，多傳感器信息融合技術常用的方法包括加權平均，卡爾曼濾波，貝葉斯估計，統(tǒng)計決策理論，神經(jīng)網(wǎng)絡，模糊推理和Dempster-Shafer(D-S)證據(jù)理論[18]-[25]。針對移動機器人所處的動態(tài)工作環(huán)境，以貝葉斯概率描述不確定因素在實際應用中魯棒性較好，但算法通常需要先驗假設且計算量大，因此具有一定的局限性；D-S證據(jù)理論滿足比貝葉斯理論更弱化的條件假設，可以不需要先驗知識，通過證據(jù)信息對假設做出判斷，得到各個假設的基本信度賦值。雖然D-S證據(jù)理論可以有效處理不確定信息，但處理沖突信息能力不夠。作為D-S證據(jù)理論的發(fā)展，證據(jù)推理(Evidential Reasoning)方法在處理不確定或不完整和沖突信息方面適應性更強，已成功應用于不確定系統(tǒng)建模和多源信息融合[24][25]。

針對室內(nèi)環(huán)境下服務機器人系統(tǒng)建立及定位問題進行研究，首先面向家庭環(huán)境多任務需要，建立服務機器人系統(tǒng)，然后基于證據(jù)推理方法的移動機器人多傳感器信息融合技術對其定位理論進行分析和證明，在實驗室環(huán)境下對新平臺進行定位算法驗證。

3.基于證據(jù)推理方法的移動機器人多傳感器信息融合技術

根據(jù)已知環(huán)境地圖的柵格矩陣，推理每個柵格被障礙物占用的置信度。其映射關系為： 其中M, N表示二維空間中柵格的數(shù)量，R表示實數(shù)空間，Belief表示某個柵格被障礙物占用的置信度。在證據(jù)推理框架下，首先確定辨識框 中的基本焦元 和 ，定義 表示某個柵格為空， 表示該柵格被障礙物占用。在某t時刻超聲波傳感器或紅外PSD傳感器采集的數(shù)據(jù)信息作為一條證據(jù)源，構造證據(jù)置信度函數(shù) ，在辨識框 中用 表示不確定信息。通過證據(jù)推理算法融合所有傳感器的置信度函數(shù)值，得到每個柵格被障礙物占用的置信度值，確定整個工作環(huán)境數(shù)據(jù)柵格的置信度分布圖。在數(shù)據(jù)融合過程中可根據(jù)工作環(huán)境信息動態(tài)調(diào)整不同傳感器證據(jù)信息的相對權值。此外，在本項目中還可以利用護理機器人士工作環(huán)境頂部的攝像頭和驅(qū)動輪上的編碼器信息動態(tài)修正數(shù)據(jù)融合結果。

4.結論

項目在已有研究工作的基礎上，結合移動機器人現(xiàn)有的自主導航技術，以護理機器人樣機為平臺，重點研究室內(nèi)移動服務機器人的多傳感器信息融合、路徑規(guī)劃與運動控制技術。對于提高家庭生活支援機器人的自主定位能力和運動控制精度，使其走出實驗室逐步產(chǎn)業(yè)化具有重要的理論價值和實際意義。

參考文獻:

[1]張煒.環(huán)境智能化與機器人技術的發(fā)展[J].機器人技術與應用.2008,3:13～16.

[2]張鈸.機器人的智能化.國家863計劃智能機器人主題專家組.邁向新世紀的中國機器人.遼寧科學技術出版社,2001:30～32.

[3]趙立軍.室內(nèi)服務機器人移動定位技術研究[D]:博士學位論文.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2009.

[4]Nilsson N J. A mobile automation: An Application of Artificial Intelligence Techniques. Proceedings of the 1st In t ernational Joint Conference on Artificial Intelligence. 1969:509～520.

[5]X.Ma, B.Qian. Open Service Robot Development Platform；ICMEE,2013.08.