楊思源 李蜀予 寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1 前言

導(dǎo)航技術(shù)是機(jī)器人非常重要的技術(shù)應(yīng)用之一，機(jī)器人通過(guò)傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)進(jìn)行判斷，計(jì)算導(dǎo)航路線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng)，而機(jī)器人對(duì)環(huán)境的信息采集是機(jī)器人完成環(huán)境建模、路徑規(guī)劃等一系列操作的前提條件。為了實(shí)現(xiàn)更多的功能，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的要求更加精準(zhǔn)。機(jī)器人的室內(nèi)定位和路徑規(guī)劃是機(jī)器人研究的重要內(nèi)容，可以更加精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人室內(nèi)精確導(dǎo)航。機(jī)器人技術(shù)逐漸進(jìn)入服務(wù)行業(yè)，可以說(shuō)機(jī)器人已經(jīng)開(kāi)始走進(jìn)人們的日常生活。

而服務(wù)行業(yè)更多場(chǎng)合是在室內(nèi),所以機(jī)器人的室內(nèi)定位和導(dǎo)航的精度要求精確,在室外,GPS定位可以很好地滿(mǎn)足機(jī)器人定位和導(dǎo)航的需要,但室內(nèi),因?yàn)槭覂?nèi)環(huán)境復(fù)雜,具有可變等問(wèn)題為室內(nèi)導(dǎo)航和定位帶來(lái)了諸多問(wèn)題,所以人們對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航和定位服務(wù)的需求日趨顯著。

2 室內(nèi)導(dǎo)航的方法

(1）激光傳感定位技術(shù)，激光傳感定位技術(shù)采用的測(cè)距方法是反射式測(cè)距法,是以雷達(dá)原理作為基礎(chǔ)，把發(fā)射的激光做為探測(cè)信號(hào)。機(jī)器人自帶的激光發(fā)射器發(fā)射一定頻率的激光束,接觸到物體表面,反射的回波由接受在裝置接受,對(duì)物體的方位,距離,大小等信息進(jìn)行提取,使機(jī)器人的路徑進(jìn)行規(guī)劃。如果偏離軌道，可以及時(shí)做出調(diào)整，最終到達(dá)目的地。在機(jī)器人的車(chē)身兩側(cè)可以安裝激光傳感器，利用激光的發(fā)出和傳回來(lái)測(cè)量障礙物的位置和距離，利用兩側(cè)的激光傳感器和導(dǎo)航技術(shù)對(duì)路徑進(jìn)行路徑規(guī)劃，使機(jī)器人規(guī)避障礙物。當(dāng)然，激光傳感器存在一定的缺陷容易受到外界信號(hào)的干擾，而且當(dāng)一定空間內(nèi)有多臺(tái)激光傳感機(jī)器人同時(shí)工作時(shí)，彼此發(fā)出的激光會(huì)干擾作業(yè)。精度和錯(cuò)誤是激光傳感定位的致命問(wèn)題，因此，激光傳感定位要在防干擾方面研究。

(2）AGV技術(shù)，即自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)(Automated Guided Vehicle ),指裝備有導(dǎo)航裝置,能夠按照規(guī)定路徑行駛,并具有編程與停車(chē)選擇,安全保護(hù)及各種移載功能的小車(chē).是依靠攝像頭采集鋪設(shè)在面或空間內(nèi)軌跡標(biāo)志的圖像對(duì)機(jī)器人進(jìn)行精確導(dǎo)航技術(shù)的導(dǎo)航方法。

第一臺(tái)自動(dòng)導(dǎo)航引運(yùn)輸車(chē)誕生于1953年,已有60多年的歷史,第一臺(tái)自動(dòng)導(dǎo)航引運(yùn)輸車(chē)是由一牽引式拖拉機(jī)改造而成。在自動(dòng)導(dǎo)航引運(yùn)輸車(chē)技術(shù)方面,歐美國(guó)家起步較早,研究成果諸多,處于領(lǐng)先地位,例如美國(guó)研制的RALPH。雖然我國(guó)在自動(dòng)導(dǎo)航引運(yùn)輸車(chē)技術(shù)方面起步較晚,但也成果斐然,例如吉林大學(xué)研制的JUTIV-3型視覺(jué)引導(dǎo)AGV,朱翔,潘崢嶸設(shè)計(jì)的FRGA+FIFO視覺(jué)導(dǎo)航。

自動(dòng)導(dǎo)航引運(yùn)輸車(chē)同樣存在缺陷,容易受到環(huán)境變化的影響,數(shù)據(jù)處理量大,且圖像處理過(guò)程較為復(fù)雜,但是自動(dòng)導(dǎo)航引運(yùn)輸車(chē)是一種新型技術(shù),存在巨大的研究空間。

(3）視覺(jué)組合導(dǎo)航技術(shù)。人類(lèi)用視覺(jué)從外界獲取的信息約有80%,獲取的信息十分全面而且利用率極高,在視覺(jué)導(dǎo)航方面日本的研究是世界領(lǐng)先的,相對(duì)來(lái)說(shuō)中國(guó)起步較晚,計(jì)算機(jī)視覺(jué)常用于機(jī)器人的定位,機(jī)器人安裝攝像機(jī)拍攝附近環(huán)境,根據(jù)所拍攝圖像處理與分析相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位,視覺(jué)組合導(dǎo)航技術(shù)是將視覺(jué)導(dǎo)航與傳統(tǒng)的慣性,GPS,激光等一些導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)相互彌補(bǔ)缺陷,可以提高系統(tǒng)的控制精度,這項(xiàng)技術(shù)可以解決視覺(jué)導(dǎo)航存在的一些不足,也是自動(dòng)導(dǎo)航引運(yùn)輸車(chē)的一個(gè)重要研究方向,例如李澤明設(shè)計(jì)了諸多傳感器融合的慣性導(dǎo)航模擬系統(tǒng),夏凌楠等研究了一種結(jié)合視覺(jué)里程計(jì)與慣性傳感器定位的方法.同時(shí)視覺(jué)定位也存在一些不可避免的缺點(diǎn),雖然視覺(jué)定位準(zhǔn)確性比較高,但是當(dāng)室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜時(shí)很難一直保持高精度。

(4）SLAM技術(shù)，SLAM也稱(chēng)CML,即定時(shí)定位與地圖構(gòu)建,最早由smith,self和cheseman于1988年提出,是實(shí)現(xiàn)真正全自主移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵,是機(jī)器人在未知環(huán)境中從一個(gè)未知位置開(kāi)始移動(dòng),在移動(dòng)過(guò)程中根據(jù)位置估計(jì)和地圖進(jìn)行自身定位,同時(shí)在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航,SLAM是利用激光雷達(dá)和相機(jī)等傳感器獲取環(huán)境信息,不需要提前布置場(chǎng)景,應(yīng)用非常廣泛。

SLAM的優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)器人自己可以利用傳感器對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行收集,不需要提前安裝引導(dǎo)標(biāo)志.路徑規(guī)劃需要機(jī)器收集的環(huán)境信息,對(duì)路徑進(jìn)行最優(yōu)選擇,且規(guī)避碰撞等問(wèn)題,目前,常用的路徑規(guī)劃方法有蟻群算法和遺傳算法等。艾瑞思機(jī)器人公司研制的SLAM導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人可以在未知環(huán)境中獲得信息,實(shí)時(shí)創(chuàng)建周?chē)h(huán)境地圖,并主動(dòng)避障,自主導(dǎo)航。

3 室內(nèi)導(dǎo)航地圖的方式

目前,室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)的地圖多采用四種表達(dá)方式,分別是柵格地圖,幾何地圖,拓?fù)涞貓D和混合地圖。

(1）柵格地圖，就是將整個(gè)室內(nèi)看作一塊矩形,把這塊矩形均分為若干柵格單元,為每個(gè)柵格單元賦予一個(gè)平均值,計(jì)算每個(gè)柵格單元內(nèi)存在障礙物的概率.這種柵格地圖的優(yōu)點(diǎn)就是計(jì)算非常直觀,且制作和維護(hù)簡(jiǎn)單,信息量非常小,但當(dāng)劃分的柵格單元越大時(shí),柵格地圖的分辨率就會(huì)非常低。

(2）幾何地圖，就是將整個(gè)室內(nèi)分為若干點(diǎn),直線(xiàn)和平面,幾何地圖的構(gòu)建非常簡(jiǎn)單,但需要在室內(nèi)標(biāo)記大量的特征,計(jì)算量非常大,所以幾何地圖的及時(shí)性較差,而且,重建的地圖也容易出現(xiàn)不相符的情況。

(3）拓?fù)涞貓D，用許多節(jié)點(diǎn)和連接這些節(jié)點(diǎn)的曲線(xiàn)來(lái)表示環(huán)境信息.每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是真實(shí)環(huán)境中的特征點(diǎn),而節(jié)點(diǎn)之間額曲線(xiàn)表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是聯(lián)通的.拓?fù)涞貓D是不需要表示不同節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系,圖像比較抽象,表示十分方便和簡(jiǎn)單,機(jī)器人可以輥距識(shí)別節(jié)點(diǎn)選擇節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的曲線(xiàn)來(lái)對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃。

(4）混合地圖，主要有3種形式：柵格·幾何地圖,幾何·拓?fù)涞貓D以及柵格·拓?fù)涞貓D·混合地圖具有多種地圖的優(yōu)勢(shì),比單一地圖更加靈活和準(zhǔn)確,但是構(gòu)建地圖比較復(fù)雜,不同的地圖難以協(xié)調(diào)。

4 室內(nèi)導(dǎo)航的發(fā)展前景

室內(nèi)定位和導(dǎo)航技術(shù)逐漸由工業(yè)向服務(wù)和國(guó)防方向發(fā)展,尤其是人們的日常生活,隨著機(jī)器人室內(nèi)定位和導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人將應(yīng)用于人類(lèi)生活的方方面面。

(1）在快遞和送餐中的應(yīng)用 在生活節(jié)奏越來(lái)越快的情況下,越來(lái)越多的人選擇網(wǎng)上購(gòu)物和訂餐,而現(xiàn)在各大平臺(tái)都是由人力來(lái)完成,機(jī)器人室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展,可以更好地替人完成這項(xiàng)任務(wù),基本可以做到送到客戶(hù)手中,而且快遞分揀也可以用大量機(jī)器人來(lái)完成分揀任務(wù)。

(2）導(dǎo)游型機(jī)器人的應(yīng)用 在圖書(shū)館,博物館等場(chǎng)所,可以用在室內(nèi)提前安裝導(dǎo)引物,利用AGV室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)對(duì)游客進(jìn)行導(dǎo)航和講解服務(wù),也可以用手機(jī)掃描功能掃描對(duì)自己的路線(xiàn)進(jìn)行規(guī)劃,在規(guī)劃時(shí)也可以提示其中擁堵的景點(diǎn),使游客避開(kāi)擁堵景點(diǎn)。

(3）在火災(zāi)等應(yīng)急救援中的應(yīng)用 在救火現(xiàn)場(chǎng),因?yàn)闊熿F彌漫和室內(nèi)情況復(fù)雜的情況下,室內(nèi)定位和導(dǎo)航技術(shù)可以為消防人員準(zhǔn)確提供室內(nèi)情況,還可以為消防人員規(guī)劃安全進(jìn)入路徑,保證人員安全。

5 面臨的挑戰(zhàn)

室內(nèi)的環(huán)境復(fù)雜程度更高,容易發(fā)生變化,地圖的改變會(huì)影響到機(jī)器人的定位精度,而且成本和復(fù)雜性較高,需要大量的人力物力以及后期的保養(yǎng)和維修.這就限制了機(jī)器人的推廣和普及,很多室內(nèi)研究都是應(yīng)用于特殊環(huán)境,擴(kuò)展性較小,室內(nèi)導(dǎo)航所用地圖也存在諸多問(wèn)題.且機(jī)器人的供電問(wèn)題也是一大難題,做復(fù)雜的任務(wù)需要的功率相對(duì)也較大。

6 總結(jié)

總體而言,激光傳感定位及算法相較比較簡(jiǎn)單,但是容易受到外界干擾和其他激光傳感定位機(jī)器人的干擾,容易產(chǎn)生較大的誤差,這種方法有著一定的環(huán)境局限性.AGV視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)是一種正在快速發(fā)展,不斷成長(zhǎng)的新技術(shù),需要提前安裝導(dǎo)引標(biāo)志物,但也存在路徑形狀復(fù)雜,邊界模糊,光照和陰影干擾等諸多問(wèn)題因此對(duì)硬件有較高要求.SLAM同時(shí)定位與地圖構(gòu)建可以實(shí)現(xiàn)對(duì)陌生環(huán)境的信息收集,能有效實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃,且規(guī)劃的路徑也能夠安全通過(guò)障礙物,三種室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)中SLAM有較大優(yōu)勢(shì)。