胡益愷

摘 要：室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人是指在室內(nèi)工作，通過(guò)起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成各種任務(wù)的機(jī)器人，其廣泛地應(yīng)用在家庭服務(wù)、物流運(yùn)輸、醫(yī)療健康、自動(dòng)化等領(lǐng)域，移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行各種任務(wù)都離不開(kāi)其核心技術(shù)——定位技術(shù)。本文從移動(dòng)機(jī)器人的概況講起，就其室內(nèi)定位技術(shù)作了詳細(xì)分析，基于此提出了其未來(lái)研究和發(fā)展重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人;相對(duì)定位;地圖匹配;信標(biāo)定位

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）02-0054-02

1 移動(dòng)機(jī)器人概述

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，搭乘著機(jī)電一體化和嵌入式計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)日新月異。機(jī)器人是一種能夠代替人類(lèi)工作的高端智能化機(jī)電設(shè)備，機(jī)器人學(xué)是一門(mén)覆蓋面極其廣泛的多學(xué)科融合技術(shù)。機(jī)器人種類(lèi)眾多，移動(dòng)機(jī)器人是其中具有獨(dú)特功能的一類(lèi)，移動(dòng)機(jī)器人類(lèi)似于智能小車(chē)，利用若干傳感器在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)時(shí)感知周?chē)鸂顟B(tài)，利用自帶控制系統(tǒng)指揮其自身朝著目標(biāo)點(diǎn)位前進(jìn)，同時(shí)整個(gè)過(guò)程中避開(kāi)障礙物。通過(guò)搭載不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)多重功能，例如搬運(yùn)貨物的物流機(jī)器人（圖1）、清理灰塵的掃地機(jī)人、為人類(lèi)服務(wù)的生活機(jī)器人等。[1]

移動(dòng)機(jī)器人的研發(fā)始于上世紀(jì)五十年代，此階段的移動(dòng)機(jī)器人大都以室內(nèi)工作為主，例如斯坦福大學(xué)的NILSSEN教授等人在1965年研制出shakey移動(dòng)機(jī)器人，但是此時(shí)的移動(dòng)機(jī)器人研究只是停留在針對(duì)不同環(huán)境的隨機(jī)性嘗試;1980年左右，研究學(xué)者們一方面開(kāi)始將研究重心集中具體任務(wù)背景下的移動(dòng)機(jī)器人研究，例如，圖書(shū)管理機(jī)器人、醫(yī)用機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人，另一方面開(kāi)始將室內(nèi)機(jī)器人延伸至室外，此階段具有代表性的是TRC公司研發(fā)的helpmate醫(yī)療用移動(dòng)機(jī)器人，該機(jī)器人可以以1m/s左右的速度在醫(yī)院的各個(gè)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，主要用作給患者傳遞藥品。進(jìn)入本世紀(jì)后，機(jī)器人技術(shù)高速發(fā)展，其市場(chǎng)規(guī)模也不斷擴(kuò)大，移動(dòng)機(jī)器人的高適應(yīng)性、智能性和可靠性成為了新的研究熱點(diǎn)，同時(shí)，太空機(jī)器人、遠(yuǎn)程機(jī)器人、無(wú)人駕駛、特種機(jī)器人、軍事作戰(zhàn)機(jī)器人等前沿應(yīng)用也備受學(xué)術(shù)界關(guān)注。[2]

移動(dòng)機(jī)器人完成各種任務(wù)的前提，國(guó)外學(xué)者在早期就總結(jié)出，主要有兩點(diǎn)：Where Am I和How To Get There，即我在哪里和我怎樣達(dá)到目的地，所以室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的核心技術(shù)中最為重要的便是定位技術(shù)。

2 移動(dòng)機(jī)器人定位技術(shù)

定位是指移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)各種傳感器件感知周?chē)h(huán)境，并通過(guò)一定的方式獲取自身位置信息的過(guò)程，機(jī)器人的定位包括絕對(duì)位置定位和相對(duì)位置定位。在室外工作的大部分移動(dòng)機(jī)器人都采用或者間接采用全球定位系統(tǒng)（GPS）定位，此種定位方法簡(jiǎn)單便捷、反應(yīng)迅速，但是對(duì)于室內(nèi)機(jī)器人而言，GPS在室內(nèi)的信號(hào)差，定位精度低，不能滿(mǎn)足定位需求，所以室內(nèi)機(jī)器人可采用的定位技術(shù)主要有以下幾種，本文就其原理將逐一分析。

2.1 相對(duì)定位法

相對(duì)定位法是應(yīng)用最為廣泛的一種定位方法，其主要形式為基于慣性傳感器的航跡推算。其大致過(guò)程為，事先將機(jī)器人的初始位姿信息輸入，移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)的過(guò)程中首先通過(guò)加速度計(jì)和陀螺儀獲取實(shí)時(shí)加速度和角加速度，通過(guò)兩次積分的計(jì)算，便可得到其位置和姿態(tài)的變化量，將此時(shí)刻的變化量疊加到上一時(shí)刻的位姿信息上，便可得出此時(shí)刻的位姿信息，實(shí)現(xiàn)定位，如圖2所示。其算法公式如下：

其中、分別是時(shí)刻機(jī)器人的位置和姿態(tài)，、分別是時(shí)刻機(jī)器人的位置和姿態(tài)，加速度和角加速度為時(shí)刻的傳感器測(cè)量值。

相對(duì)定位的優(yōu)勢(shì)在于不需要任何外界的參考和信息，不受外界環(huán)境的干擾，是一種“自我定位”方式，但是其缺點(diǎn)是需要事先知曉機(jī)器人的初始位姿信息，而且由于積分和疊加的計(jì)算模式，其誤差會(huì)逐漸累積。因此，相對(duì)定位法比較適合于復(fù)雜環(huán)境下的室內(nèi)短距離定位。相對(duì)定位的誤差主要來(lái)自于傳感器件的漂移誤差，多以零偏誤差為主。[3]

2.2 地圖匹配定位法

地圖匹配定位法是一種在局部區(qū)域內(nèi)精度極高的定位方法，其主要形式有兩種：地圖已知定位法和地圖未知定位法。

地圖已知定位法在定位之前需要將機(jī)器人所處環(huán)境的全局地圖信息輸入，此地圖在機(jī)器人的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都需要隨時(shí)調(diào)用，環(huán)境地圖的構(gòu)造方式有多種，例如特征學(xué)習(xí)法、拓?fù)浞ā⒕W(wǎng)格法等。其中特征學(xué)習(xí)法是將環(huán)境中的各個(gè)特征點(diǎn)提取出來(lái)，省略掉不必要的細(xì)節(jié)，此方法不太適合信息量較大的復(fù)雜地圖。網(wǎng)格法較為常用，其特點(diǎn)是建立和維護(hù)相對(duì)便捷，信息量適中，便于多個(gè)地圖的融合。移動(dòng)機(jī)器人在室內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，使用機(jī)身裝配的各種傳感器（例如聲波傳感器、攝像頭、激光雷達(dá)）獲取外部環(huán)境的局部地圖，將此局部地圖和機(jī)器人內(nèi)部的全局地圖對(duì)比，便可實(shí)現(xiàn)定位。[4]

地圖未知定位法是指移動(dòng)機(jī)器人在一未知的環(huán)境中，移動(dòng)的同時(shí)利用自身傳感器構(gòu)建外部環(huán)境地圖，然后在已建立環(huán)境地圖信息的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)更新自身的位姿信息，此技術(shù)也叫作同時(shí)定位與地圖構(gòu)建（SLAM）。在實(shí)際的算法中，機(jī)器人的位姿和環(huán)境特征都被表示成矢量，當(dāng)?shù)貓D信息改變時(shí)，此矢量信息改變，機(jī)器人的位姿得到更新。

2.3 信標(biāo)定位法

基于信標(biāo)的定位方法是指，在機(jī)器人所處環(huán)境中的特征點(diǎn)位上安裝若干信標(biāo)（激光發(fā)射器、磁感應(yīng)器等），機(jī)器人利用傳感器對(duì)信標(biāo)的測(cè)量計(jì)算出自身位姿，信標(biāo)定位用傳感器多以超聲波傳感器、激光雷達(dá)、視覺(jué)傳感器、電磁感應(yīng)器為主。此方法依賴(lài)于環(huán)境中的信標(biāo)，所以器件安裝和維保使用成本較高，但是定位精度較高，且不受外界環(huán)境影響，只是當(dāng)外界環(huán)境動(dòng)態(tài)改變時(shí)，傳感器檢測(cè)存在盲點(diǎn)。

機(jī)器人信標(biāo)定位多采用三邊定位法（圖3），其數(shù)學(xué)原理為三球交匯于一點(diǎn)，定位機(jī)器人位置至少需要三個(gè)位置確定的節(jié)點(diǎn)（又稱(chēng)為錨節(jié)點(diǎn)），傳感器安裝在機(jī)器人上且能實(shí)時(shí)接收節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。從理論上分析，信標(biāo)數(shù)量越多，定位精度越高，但是信標(biāo)密度的提升則會(huì)大幅提高成本，因此，低密度超聲波定位是未來(lái)的重要研究方向。

2.4 無(wú)線(xiàn)通信定位

移動(dòng)機(jī)器人工作場(chǎng)景大多在室內(nèi)，而不論是商用還是普通家庭用，其工作環(huán)境中一般都存在著無(wú)線(xiàn)通信信號(hào)，例如WiFi、ZigBee、Bluetooth等，這為無(wú)線(xiàn)通信定位提供了良好的應(yīng)用場(chǎng)景。無(wú)線(xiàn)通信定位又稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位，其主要是利用機(jī)器人自帶的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接收器接收網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，通過(guò)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的分析，采用算法計(jì)算出機(jī)器人的當(dāng)前位置，其主要利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)隨著傳播距離逐漸衰弱的特點(diǎn)完成模型建立。此方法的優(yōu)勢(shì)在于可以直接利用室內(nèi)的各種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，定位方案操作簡(jiǎn)單，但是由于一般的WiFi的發(fā)射功率較低，所以算法計(jì)算結(jié)果誤差較大，這是其主要劣勢(shì)。所以，將算法優(yōu)化，從而可以在弱信號(hào)中發(fā)現(xiàn)信號(hào)衰減特征是未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信定位的熱點(diǎn)方向。

3 結(jié)語(yǔ)

除了上文分析的四種主要定位方法外，還有諸如基于RFID的定位、基于概率的定位、基于貝葉斯理論的定位和基于卡爾曼濾波的定位等，這些方法通常需要和四種主要方法相結(jié)合使用。綜上所述，筆者認(rèn)為，以后的移動(dòng)機(jī)器人室內(nèi)定位技術(shù)將從以下幾個(gè)方面展開(kāi)突破：

（1）對(duì)定位所用傳感器的精度進(jìn)行提高，減小使用過(guò)程中的絕對(duì)誤差和重復(fù)性誤差;

（2）提高算法的計(jì)算效率，減小計(jì)算時(shí)延，對(duì)于提高移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速率提供有力保障;

（3）由于單一的定位技術(shù)存在較大誤差且可靠性不足，因此，研究組合定位技術(shù)，將各種定位技術(shù)的結(jié)果相互補(bǔ)償，提高計(jì)算精度和系統(tǒng)可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊俊駒，林睿，王振華，等.輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（2）：22-27.

[2] 苑晶，李陽(yáng)，董星亮，等.基于運(yùn)動(dòng)模式在線(xiàn)分類(lèi)的移動(dòng)機(jī)器人目標(biāo)跟蹤[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2017，38（3）：568-577.

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[4] 步新宇，項(xiàng)玉.智能移動(dòng)機(jī)器人定位技術(shù)[J].科技展望，2016，26（10）：15-19.