小型室內(nèi)機器人定位技術(shù)的研究與應(yīng)用

何春俐，張連軍

(1.佳木斯大學(xué)附屬第二醫(yī)院，黑龍江 佳木斯154007； 2.佳木斯大學(xué) 機械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯154007)

當(dāng)今時代，機器人技術(shù)發(fā)展越來越快，很多人力勞動都被機器人代替，商業(yè)資金的注入更加促進了它的發(fā)展。如今，移動機器人應(yīng)用更加廣泛，其定位技術(shù)就顯得非常重要。移動機器人定位是確定它在環(huán)境中所處位置的過程，是實現(xiàn)移動機器人導(dǎo)航能力的關(guān)鍵。目前，機器人的定位方式方法是隨著傳感器的發(fā)展而發(fā)展，隨著傳感器的應(yīng)用不同，它的定位方式也會不一樣[1]。智能傳感器和新型傳感器的不斷應(yīng)用使得小型室內(nèi)移動機器人越來越智能化，定位越來越精準(zhǔn)[2]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著人工智能和機器人技術(shù)的不斷進步，機器人逐漸在工業(yè)、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。移動機器人要能夠依據(jù)自身所處的環(huán)境特征對于自身位置進行定位，定位的精度決定了機器人是否能夠準(zhǔn)確又高效的完成任務(wù)[3]。

李明研究了基于移動機器人的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在室內(nèi)環(huán)境中運行的，該系統(tǒng)定位誤差小于12 cm，在關(guān)聯(lián)系統(tǒng)中屬于定位精度比較準(zhǔn)確的[4]。張磊研究的定位系統(tǒng)是由ZigBee 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，他搭建的測試平臺和對相關(guān)參考點的計算通過改進算法來使定位精度得到提高，布局精度可達0.63 m，這種方法能夠滿足普通的定位要求[5]。崔冰石利用超聲波來實現(xiàn)機器人系統(tǒng)定位，在系統(tǒng)中還采用了無線定位電子標(biāo)簽技術(shù)，該系統(tǒng)利用超聲波實現(xiàn)了距離測量，減少了定位的不確定性，同時可在一定環(huán)境下利用現(xiàn)有的射頻識別定位系統(tǒng)來實現(xiàn)定位，還可以通過無線電子標(biāo)簽和機器人上的傳感器進行互相通信并進行計算來實現(xiàn)定位，這種方法定位精度很高[6]。Cui Feng提出了一種地圖匹配的方法，該方法采用了可信度算法，提高了移動機器人全球定位系統(tǒng)的定位精度，可以從GPS數(shù)據(jù)流中提取經(jīng)緯度，建立電子地圖，并通過電子地圖來確定機器人運動軌跡。這種定位方法利用了全球定位系統(tǒng)的信息，可用這部分信息來服務(wù)于自身系統(tǒng)，但這種定位方法的精度主要依賴于全球定位系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)[7]。

2 小型室內(nèi)機器人定位技術(shù)研究

小型室內(nèi)移動機器人的研究發(fā)展很快，研究人員根據(jù)不同方法、不同技術(shù)的應(yīng)用對定位精度進行比較，希望找出最佳方法，但每種方式和方法都各有利弊。根據(jù)室內(nèi)移動機器人定位技術(shù)所采用的傳感器不同，現(xiàn)將室內(nèi)機器人定位技術(shù)分為以下幾種：

2.1 視覺定位技術(shù)

視覺定位通過視覺傳感器來進行信息的采集和獲取。目前，大多采用高質(zhì)量數(shù)碼照相機取得的高清圖像來作為信息來源，采集到的圖像需要進行分析和處理。視覺定位可以從外部或內(nèi)部自主定位，也可以在外部的固定位置安裝圖片采集傳感器，在移動物體上安裝圖像敏感元件，以此來實現(xiàn)信息的傳遞，之后再通過圖像處理和算法來實現(xiàn)定位[8]。自主定位主要是指將照相機安裝在待定位的載體上，用于對收集到的圖像進行實時定位。視覺定位較為方便，容易實現(xiàn)，而且精度也比較高，定位誤差在幾毫米之內(nèi)。但視覺定位往往需要一個強大的處理器和較大的資源庫。

2.2 超聲波定位技術(shù)

超聲波定位是根據(jù)超聲波的傳輸特性和原理來制造傳感器，把超聲波信號轉(zhuǎn)換成電參量，可以通過這種傳感器來發(fā)射和接受超聲波信號。由于超聲波信號具有較好的反射性質(zhì)，而且聲波信號的傳播在相同媒介中變化很小，超聲波在空氣中的傳播速率可被認為是定值，可以將它的速度固定性和反射性質(zhì)來作為定位的研究基礎(chǔ)。通過超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波信號，當(dāng)超聲波遇到障礙物反射回來后，超聲波接收器就可以接收到反射回來的信號。在超聲波發(fā)射器發(fā)射信號時，通過電路芯片開始計時，直到超聲波接收器收到信號為止，這樣就能計算出發(fā)射器到障礙物的位移，可對多個超聲波傳感器進行計算來實現(xiàn)物體的精確定位。

2.3 紅外線定位技術(shù)

紅外線定位是通過傳感器來采集紅外線信號，可根據(jù)紅外線的能量及相位等信息進行采樣，并根據(jù)特征值和一定算法來進行定位，它的定位算法和其他定位方法有相似之處，但不同于其他方法，它大多是采用光學(xué)傳感器來接收信號。傳感器收到信號時，電源開關(guān)接通并傳輸信號，這時紅外信號就可以到達被測物體，并從采樣器發(fā)出信號，脈沖信號就會啟用計數(shù)器并輸入計數(shù)脈沖。與此同時，脈沖信號驅(qū)動計數(shù)器，當(dāng)紅外信號從目標(biāo)返回時會作用在光電探測器上，進而變成了電脈沖信號，然后通過放大器改變放大倍數(shù)，這個信號用于控制計數(shù)器進行計數(shù)，可通過記錄的脈沖數(shù)量來計算目標(biāo)距離[9]。紅外線具有一定的衰減性，應(yīng)用范圍不寬，對環(huán)境的敏感性較強。

2.4 激光雷達定位技術(shù)

激光雷達定位將激光器和雷達結(jié)合在一起做成組合單元，集合了激光和雷達的共同優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位和測量功能，在高端定位領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。二者結(jié)合后，通過慣性測量單元可以打造抗出干擾強、定位精度高的定位系統(tǒng)，尤其是在移動定位和一些特殊環(huán)境的定位中，其定位優(yōu)點較為突出，可實現(xiàn)高精度定位。但由于激光器和雷達構(gòu)成的定位系統(tǒng)成本很高，其應(yīng)用受到了一定限制。

3 結(jié)語

小型室內(nèi)機器人定位技術(shù)是機器人學(xué)的核心研究領(lǐng)域，今后的研究重點是提高定位精度以及實現(xiàn)機器人的自主定位，并對定位算法進行完善和改進，以保證小型室內(nèi)機器人定位技術(shù)的穩(wěn)定性、快速性和有效性。