室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的定位導(dǎo)航技術(shù)探究

徐志智 李天劍

摘要：時(shí)代在發(fā)展，社會(huì)在進(jìn)步，室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人雖然擁有飲食店的配送、銀行服務(wù)、機(jī)場(chǎng)清掃等各種各樣的應(yīng)用場(chǎng)景，但出于當(dāng)前部分的軟件以及硬件技術(shù)的不成熟的原因，無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)室內(nèi)機(jī)器人，也因此不能在市場(chǎng)上普及。在導(dǎo)航及定位技術(shù)層面，采用視覺(jué)傳感器可以獲得比激光雷達(dá)更豐富的環(huán)境信息，由此可以構(gòu)建更加準(zhǔn)確的環(huán)境地圖，不過(guò)現(xiàn)在的方法定位的魯棒性需要提高。還需要改善地圖構(gòu)筑方式。這篇文章基于地圖構(gòu)建方法、視覺(jué)定位理論優(yōu)化定位算法，討論如何實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境下機(jī)器人的定位導(dǎo)航功能。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)；移動(dòng)機(jī)器人；定位導(dǎo)航技術(shù)

第三次工業(yè)革命后，隨著突飛猛進(jìn)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越廣泛地進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活，極大地便利了現(xiàn)代人的日常生活，人們對(duì)機(jī)器人技術(shù)的要求也越來(lái)越高。在機(jī)器人科技領(lǐng)域，機(jī)器人定位導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)作為最新研究成果出現(xiàn)了，機(jī)器人能通過(guò)設(shè)置定位導(dǎo)航技術(shù)，將自己的任務(wù)完成得更加精確，我們可以說(shuō)機(jī)器人科技的發(fā)展是被立體定位導(dǎo)航技術(shù)大大促進(jìn)了。

一、關(guān)于室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的說(shuō)明

（一）什么是室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人

現(xiàn)在，服務(wù)機(jī)器人的初步定義如下：服務(wù)機(jī)器人是可以完成對(duì)人類(lèi)健康有益的服務(wù)，但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備的半自主或完全自主作業(yè)的機(jī)器人。它是可以移動(dòng)的機(jī)器，根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況，服務(wù)機(jī)器人與能夠在其上由一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成的機(jī)器人手臂的控制方式相同，在此所說(shuō)的室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人是能夠在室內(nèi)的作業(yè)環(huán)境下自主移動(dòng)的智慧機(jī)器。

（二）什么是室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)特質(zhì)

與工業(yè)機(jī)器人相比，在使用上，體積相對(duì)較小、需要自備電源、通用性較強(qiáng)，以及具備智能的功能是室內(nèi)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的一般特點(diǎn)。此外，室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人還具備著按區(qū)域運(yùn)行作業(yè)和可移動(dòng)性的功能。室內(nèi)服務(wù)機(jī)器普遍具備一定的步行功能來(lái)執(zhí)行各種各樣的特定任務(wù)。這類(lèi)功能在主要是在車(chē)輪或推進(jìn)裝置等的行駛機(jī)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)，一般有多個(gè)控制輪存在機(jī)器人設(shè)置中來(lái)實(shí)現(xiàn)這類(lèi)機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)。并且具備自給電源；第二點(diǎn)是適應(yīng)性，執(zhí)行作業(yè)的機(jī)器人在障礙物間穿梭，在能回避這些障礙物的情況下進(jìn)行工作，也有具有學(xué)習(xí)、感覺(jué)、判斷功能的服務(wù)機(jī)器人，這是因?yàn)樗鼈儚V泛采用了高性能視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種傳感器，具有一定的感知能力和自主能力；第三，室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人具有輕便性，移動(dòng)機(jī)器人的功能比較完善、機(jī)構(gòu)多，這是盡可能需要的移動(dòng)機(jī)器人的變速器和裝置，提高機(jī)動(dòng)性減小其自重和容積，降低能耗?？刂蒲b置也在輕量化的同時(shí)，盡量減少中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高了機(jī)械傳動(dòng)效率；第四就是這類(lèi)機(jī)器人非常便于人們操作，室內(nèi)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人與人的關(guān)系非常密切，在機(jī)器與人的交互過(guò)程中也需要經(jīng)過(guò)不斷地磨合和調(diào)整。基于這些條件，機(jī)器人設(shè)計(jì)者需要使機(jī)器人用戶(hù)與機(jī)器人之間的相互協(xié)作迅速、方便。

（三）室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的研究背景

移動(dòng)機(jī)器人的不斷發(fā)展過(guò)程中，科學(xué)家們首先以室內(nèi)環(huán)境為背景開(kāi)始探索研究移動(dòng)機(jī)器人。在這種情況下，應(yīng)用的背景和具體的任務(wù)并沒(méi)有得到針對(duì)性的研究，主要開(kāi)展的是包括機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、信息融合、路線(xiàn)計(jì)劃在內(nèi)的技術(shù)的關(guān)于屋內(nèi)的結(jié)構(gòu)化環(huán)境的基本的初步研究。在外國(guó)知名院校和研究機(jī)構(gòu)的早期研究中，許多重要的結(jié)論被科學(xué)家們總結(jié)出來(lái)了.除此之外，通過(guò)將多傳感器的信息與機(jī)器人相融合的運(yùn)用，許許多多寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)得到了積累?；谇捌谘芯考夹g(shù)的基礎(chǔ)，室內(nèi)自主移動(dòng)機(jī)器人的研究開(kāi)始了。

（四）室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境

辦公室、家庭辦公室、超級(jí)市場(chǎng)，這些結(jié)構(gòu)化的環(huán)境是室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的最常見(jiàn)的作業(yè)環(huán)境，這些地方有著許多的共同特征：垂直的墻壁、平的地板、規(guī)范的走廊、大廳。室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人與人類(lèi)在此類(lèi)環(huán)境中能達(dá)成良好的交互。機(jī)器人必須設(shè)法使自己做各種各樣的事情，在另一方面，通過(guò)假定環(huán)境相關(guān)的制約，機(jī)器人設(shè)計(jì)者可以在這樣的環(huán)境中取得現(xiàn)在的環(huán)境識(shí)別技術(shù)的缺點(diǎn)的平衡。

二、室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人及其導(dǎo)航系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)需要

自主設(shè)計(jì)巡視路線(xiàn)室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人需要在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自主巡視的重要前提，服務(wù)路線(xiàn)的計(jì)劃需要利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)環(huán)境的地圖。根據(jù)室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人的檢查運(yùn)動(dòng)要求，設(shè)計(jì)室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)能夠通過(guò)各種傳感器檢測(cè)、探索作業(yè)環(huán)境，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)環(huán)境的考慮的地圖構(gòu)筑和機(jī)器人本體的定位。采用智能算法并使用構(gòu)筑的地圖來(lái)進(jìn)行機(jī)器人的行駛規(guī)劃。確保機(jī)器人系統(tǒng)能計(jì)劃路徑并查找最短的服務(wù)通道。我們第一步將分析室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)的需求，根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成對(duì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)、感測(cè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。確定整體設(shè)計(jì)要求和方案，確定室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人主體的硬件和軟件的框架系統(tǒng)。

室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人可能要在復(fù)雜危險(xiǎn)的作業(yè)環(huán)境下進(jìn)行任務(wù)。這就要求要有非常高的性能、電池續(xù)航時(shí)間等，同時(shí)需要更高的自主性和智慧。室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人研究重點(diǎn)主要包括以下問(wèn)題：在將人的干預(yù)降到最低的情況下可以控制自主導(dǎo)航進(jìn)而自主完成工作的能力，而且，室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人必須在某些特殊危險(xiǎn)的工作環(huán)境下嚴(yán)格符合防爆要求，綜上所述，室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人研究的重點(diǎn)可以細(xì)分為以下這幾個(gè)問(wèn)題：

首先是可持續(xù)的性能，室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人可根據(jù)檢查任務(wù)，時(shí)間間斷。通過(guò)連續(xù)作業(yè)，提高了電池續(xù)航時(shí)間，在提高電池續(xù)航時(shí)間的同時(shí)，充分利用了可能的機(jī)器人本體的空間，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，減輕了機(jī)器人本體的重量，其待機(jī)時(shí)間得到了提高；其次是機(jī)動(dòng)性、室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人的工作環(huán)境復(fù)雜、未知、具備良好的機(jī)動(dòng)性是室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人適應(yīng)各式各樣的環(huán)境的重要前提，滿(mǎn)足非結(jié)構(gòu)化地形環(huán)境的使用條件，可通過(guò)傾斜路段、臺(tái)階、溝等復(fù)雜地形進(jìn)行服務(wù)。第三是環(huán)境認(rèn)識(shí)能力、室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、未知，這是必須具備的最后室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人，在工作中處于危險(xiǎn)的工作環(huán)境下，例如化工廠、核電站、石油精煉所等。為避免室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人變成運(yùn)行的潛在爆發(fā)源，造成不必要的財(cái)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失，這類(lèi)機(jī)器人還需要具備良好的防爆性。

三、小結(jié)

機(jī)器人的導(dǎo)航是一項(xiàng)在機(jī)器人領(lǐng)域的基本研究，很多種類(lèi)的機(jī)器人能夠完成其他復(fù)雜的任務(wù)作為在某一環(huán)境中自主移動(dòng)的前提是這項(xiàng)研究的重要意義所在。科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的這些年來(lái)，隨著機(jī)器人技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，整個(gè)社會(huì)不斷增加室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人的需求量，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界也投入大量資源，對(duì)機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和應(yīng)用探索。隨著室內(nèi)機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)逐漸成熟，隨著室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的快速發(fā)展，單一導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代化的需求。通過(guò)提高機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人技術(shù)水平的提高，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)成為機(jī)器人發(fā)展的新趨勢(shì)，我們可以相信在未來(lái)的社會(huì)生活中，移動(dòng)機(jī)器人必然會(huì)取得更好的發(fā)展。

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（作者單位：北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）