小型室內(nèi)機器人定位技術(shù)的研究與應(yīng)用

陳立鋼

青島海通機器人系統(tǒng)有限公司

1 引言

現(xiàn)階段，隨著科技的進步，機器人技術(shù)不斷地發(fā)展，機器人已經(jīng)代替了人力勞動力，商業(yè)資金的注入，促進了機器人領(lǐng)域的發(fā)展。目前，移動機器人在實際應(yīng)用上較為廣泛，定位技術(shù)就是最核心的一項技術(shù)。移動機器人定位是在所處的環(huán)境中，可以實現(xiàn)導(dǎo)航能力。機器人定位技術(shù)的發(fā)展，是傳感器的發(fā)展，隨著傳感器在應(yīng)用上存在差異，同時定位也會不一致。在小型室內(nèi)移動機器人中，智能傳感器和新型傳感器的應(yīng)用趨于自動化、智能化，在定位上越加精準(zhǔn)。

2 研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，隨著機器人技術(shù)和人工智能的發(fā)展，在醫(yī)療，航天，工業(yè)等領(lǐng)域機器人已得到了廣泛的應(yīng)用。移動機器人要按照所處的環(huán)境以及位置采取精確地定位，機器人的定位精度是判斷其完成任務(wù)的一項標(biāo)準(zhǔn)，是否高效、順利地完成任務(wù)。

移動機器人定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是在室內(nèi)環(huán)境情況下進行的運行，這項系統(tǒng)在定位的誤差上小于12cm，其中關(guān)聯(lián)系統(tǒng)是定位精度。定位系統(tǒng)的構(gòu)成主要是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，其中測試的平臺以及利用計算等方式提高其定位上的精度，精度可以達到0.63m，該系統(tǒng)可以滿足定位上的需求。與此同時，采用超聲波針對機器人系統(tǒng)采取定位，這種系統(tǒng)中還應(yīng)用了無線定位電子標(biāo)簽技術(shù)，應(yīng)用超聲波可以將距離實現(xiàn)測量，同時降低定位上的不精準(zhǔn)，在同一個環(huán)境下，就能采用射頻識別定位系統(tǒng)進行定位，另外，還可以利用無線電子標(biāo)簽和機器人中的傳感器實現(xiàn)互聯(lián)互通，通過計算等方式獲得定位，在定位的精度上很高。有的專家還提出了地圖匹配的方法，應(yīng)用可信度算法，可以將移動機器人的全球定位系統(tǒng)的定位精度大大提高，利用GPS 數(shù)據(jù)可以將經(jīng)緯度獲取，與此同時還構(gòu)建了電子地圖，然后利用電子地圖將機器人的運行軌跡從而確定。該定位采用了全球定位系統(tǒng)中的有效信息，通過這些信息更好地服務(wù)于系統(tǒng)，該定位的精度主要是依靠全球定位系統(tǒng)中所提供的數(shù)據(jù)。

3 小型室內(nèi)機器人定位技術(shù)研究

目前，隨著小型室內(nèi)移動機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，作為研究人員要按照方法和技術(shù)的不同，將定位精度采取對比，每種方式和方法都有各自的優(yōu)勢和缺點。要按照室內(nèi)機器人定位技術(shù)應(yīng)用不同的傳感器，以下是室內(nèi)機器人定位技術(shù)的幾個核心技術(shù)。

3.1 GPS定位系統(tǒng)

GPS 定位技術(shù)是目前而言應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)用技術(shù)，在導(dǎo)航、測繪等各個領(lǐng)域都廣受青睞，也有人將其作為室內(nèi)機器人的定位技術(shù)應(yīng)用，但很快就發(fā)現(xiàn)它具有致命的缺陷：GPS的定位原理是利用太空當(dāng)中的衛(wèi)星通過電磁波向地面接收站發(fā)送所處位置并附上時間戳，地面接收到信號后可利用信號傳輸時間來得出衛(wèi)星與接收站的距離，采用三個衛(wèi)星傳回的數(shù)據(jù)就能夠確定接收點位置，但它所使用的信號會在傳播途中受損，當(dāng)達到地面時，信號已經(jīng)較弱，很難再穿透建筑物，因此用于室內(nèi)機器人時定位精度會大打折扣。

3.2 視覺定位技術(shù)

視覺定位是利用視覺傳感器針對信息實現(xiàn)的采集以及獲取?，F(xiàn)階段，利用高質(zhì)量數(shù)碼照相機就能獲取高清的圖像，可以信息的來源，分析和處理采集的圖像。視覺定位需要在內(nèi)部和外部實現(xiàn)自主的定位，外部固定安裝圖片要應(yīng)用傳感器，移動物體上要將圖像敏感元件進行安裝，才能讓信息實現(xiàn)傳遞，要利用圖像處理和算法進行定位。自主定位也就是在載體上安裝照相機，針對圖像采取收集和定位。視覺定位在應(yīng)用上較為簡便，同時精度比較高，其中誤差在幾毫米。但是，視覺定位需要有資源庫和強大的處理器。

3.3 超聲波定位技術(shù)

超聲波定位中傳感器是按照超聲波的傳輸特性和原理相融合的，其中將超聲波信息的電參量實現(xiàn)了轉(zhuǎn)換，利用傳感器發(fā)射和接受超聲波信號。因為超聲波信息要有很好的反射性質(zhì)，并且聲波信號在傳播過程中媒介的變化會很小，超聲波在空氣的傳播速度都是定值，然后按照速度和反射性質(zhì)進行定位。另外，要利用超聲波發(fā)生器將信號發(fā)出，如果超聲波遭遇到障礙物就會立即反射，此時超聲波接收器就能接收到信號，對于物體的定位需要應(yīng)用多個超聲傳感器。超聲定位系統(tǒng)的定位精度較高，誤差能夠控制在5cm以內(nèi)，并且響應(yīng)速度快，可達0.1s，定位范圍則是某一篇場地內(nèi)部，能夠契合室內(nèi)定位的要求。

3.4 紅外線定位技術(shù)

紅外線定位是利用傳感器針對紅外線信號采取采集，然后按照紅外線的相位以及能量完成采樣，最后要按照特征進行統(tǒng)一的計算完成定位，其中定位算法和定位方法基本一致，都是應(yīng)用光學(xué)傳感器將信號實現(xiàn)接收。傳感器收到信號之后，電源就會自動開關(guān)進行信號的傳輸，此時紅外信號就會測量到物體，同時采樣器就會有信號發(fā)出，對于脈沖信號可以采用計數(shù)器進行計算。與此同時，脈沖信號計數(shù)器，如果紅外信號會作用到光電探測器上，就會形成電脈沖信號，信號可以將計數(shù)器進行計算和控制，最后將脈沖的數(shù)量確定出目標(biāo)激勵。紅外線定位技術(shù)只能應(yīng)用于直線視距內(nèi)的定位，且當(dāng)房間中有燈光或者熒光時，很容易受到干擾，另外，紅外線由于具有一定的衰減性，在應(yīng)用范圍上不是很廣，一般不能單獨作為定位技術(shù)在室內(nèi)機器人當(dāng)中使用，但是它對于環(huán)境的敏感性是非常強的，可結(jié)合其他技術(shù)共同使用。

3.5 激光雷達定位系統(tǒng)

激光雷達定位技術(shù)可以把雷達和激光器綜合起來構(gòu)成組合體，包含了雷達和激光的各自特點，可以更好地完成精準(zhǔn)定位和測量工作，已經(jīng)普遍運用于高端定位行業(yè)。這兩者在集合之后，利用慣性測量可以建立起一個具有高精準(zhǔn)度定位和高抗干擾性的定位系統(tǒng)，特別是針對個別特定環(huán)境和移動環(huán)境下的定位過程中，定位的優(yōu)勢就顯得格外明顯，可以更有效地完成精準(zhǔn)定位。但因為雷達和激光器所組成的系統(tǒng)需要投入更多的資金，因此在運用過程中還是有所約束。

3.6 超寬帶定位系統(tǒng)

傳統(tǒng)室內(nèi)機器人的定位系統(tǒng)采用攝像頭和激光掃描儀等進行實時定位，并將所獲得的數(shù)據(jù)和圖像傳回處理系統(tǒng)，建立局部室內(nèi)地圖，完成定位工作。這種定位模式具有諸多缺陷，例如所需計算的數(shù)據(jù)量十分龐大，反應(yīng)速度不夠靈敏，很難達到實時定位的效果，并且設(shè)備成本較高，承載攝像頭、掃描儀的機器人體積相對而言也較大，會使得室內(nèi)空間看起來有些逼仄。采用超寬帶定位系統(tǒng)，使用控制器來對標(biāo)簽進行控制，使用三邊定位法就能夠確定機器人所處位置，并使用串口將傳輸回來的位置參數(shù)發(fā)送給控制器，再由主控制器據(jù)此對機器人路徑作出合理規(guī)劃，使其規(guī)避障礙物，順利在室內(nèi)移動和動作，并能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)將機器人的位置信息、行為、路徑規(guī)劃、速度等參數(shù)上傳到用戶終端，例如手機和電腦，使用戶能夠遠距離對機器人進行操控和監(jiān)管。實際經(jīng)驗表明，采用超寬帶定位系統(tǒng)能夠達到較高的定位精度，將誤差控制在10cm以內(nèi)，甚至更短。

3.6.1 超寬帶技術(shù)簡介

超寬帶技術(shù)，簡稱UWB，乃是近些年來興起的無線載波通信技術(shù)，與傳統(tǒng)的載波通信技術(shù)相比，它采用的并非正弦載波，而是納秒級的非正弦載波，其頻譜很寬，能夠攜帶的信息量十分龐大，雖然為無線通信技術(shù)，但傳輸速率能遠遠高出有線通信，傳輸效率更高，定位精度也較高。并且它的系統(tǒng)并不復(fù)雜，相比起其他定位技術(shù)而言，它要簡單得多，更容易實現(xiàn)全數(shù)字化，只需用數(shù)字方式產(chǎn)生脈沖并對其進行調(diào)制，所有所需電路都能夠由一個小型芯片來承載，成本很低；發(fā)射信號時的功率譜密度不高，信號在傳播途中不容易被截獲，發(fā)生干涉衍射的概率也較低，抗干擾能力強，能夠完美適應(yīng)密集多徑的室內(nèi)場所的工作環(huán)境，提高室內(nèi)機器人定位的精度。此外，它所使用的攜帶數(shù)據(jù)的脈沖是間歇性脈沖，而且持續(xù)時間較短，系統(tǒng)消耗的電能較低，功率大約為常用藍牙設(shè)備功率的1/20 左右，幾乎不會影響機器人的續(xù)航能力，并且輻射低、相應(yīng)設(shè)備的壽命較高。還有，它能夠?qū)⑼ㄐ排c定位結(jié)合為一個整體，利用一個系統(tǒng)同時完成兩種工作，節(jié)省機器人內(nèi)部空間，對于縮小室內(nèi)機器人體積具有重要的推動作用，它的信號穿透能力極強，哪怕在穿越重重阻隔、到達室內(nèi)時也不會出現(xiàn)明顯衰弱，在地下室也能夠順利完成定位，這是GPS 技術(shù)很難比較的。最后，GPS 技術(shù)只能確定物體的絕對位置，但超寬帶技術(shù)卻能夠給出相對位置，更能適應(yīng)室內(nèi)機器人的工作特性，為用戶提供詳細的位置信息。

3.6.2 超寬帶技術(shù)在室內(nèi)移動機器人定位中的應(yīng)用

室內(nèi)機器人超寬帶定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由移動控制端、三個基站、電源、主控制器等構(gòu)成，其中移動控制端也就是客戶的手機或者電腦中安裝的APP，三個基站用于定位，電源可使用12V 左右的蓄電池，可根據(jù)機器人的實際情況選擇不同規(guī)格的電源。其環(huán)境信息采集模塊可以使用超聲波傳感器和紅外傳感器共同構(gòu)建，以提高所采集環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確性，還可增加多種傳感器，對諸如空氣濕度、光照強度、溫度等多種參數(shù)進行測量，使機器人能夠在完成定位工作之余實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測，并在此基礎(chǔ)上調(diào)整室內(nèi)環(huán)境，為居民提供更舒適的居住體驗，提高其生活質(zhì)量。機器人定位所用主程序并不復(fù)雜，只需要設(shè)置成啟動后進行一次系統(tǒng)初始化，清除之前的目標(biāo)指令，并等待來自客戶端的新指令，接收完成后，開啟定位設(shè)備，啟動定位功能，完成指令或者向目標(biāo)物體運動，到達目標(biāo)位置或者完成動作后就停止移動，若在途中遇到障礙物，就通過環(huán)境信息采集模塊上傳和反饋的信息進行路徑重新規(guī)劃，避開障礙物，繼續(xù)前行并自動上傳位置信息和環(huán)境信息、速度等參數(shù)，供用戶進行查看和調(diào)整。

4 室內(nèi)移動機器人定位導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展方向

4.1 完成自主導(dǎo)航功能

目前的移動機器人在一定程度上可以實現(xiàn)自主移動和相應(yīng)的操作，但由于移動機器人的導(dǎo)航功能還相對落后，目前的機器人在進行操作時還不能全面實現(xiàn)自主的道路判定和計劃，還是要靠人工提前設(shè)定才可以達到最后的運作，所以將來機器人低昂為導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展防線就是達到移動機器人的自主操作。不管是資金還是人才的培養(yǎng)，我國也在機器人行業(yè)進行了更多的投資，并制定了《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展五年規(guī)劃》，以此來實現(xiàn)對我國機器人發(fā)展的足夠重視和支持，并針對激光SLAM導(dǎo)航技術(shù)在移動機器人上的運用給予了政策支撐，進而加速我國移動機器人導(dǎo)航技術(shù)上的快速發(fā)展。

4.2 實現(xiàn)信息融合

在進行導(dǎo)航時，移動機器人要通過了解四周的環(huán)境，把掌握到的所有信息收集完成后進行匯總，然后根據(jù)設(shè)定的路線前進。目前我國的移動機器人在導(dǎo)航技術(shù)上還不夠先進，加上傳感接收器也比較落伍，所以如果處于煩瑣的環(huán)境下機器人就不能更全面的分析，從醫(yī)出現(xiàn)很多問題。所以，在今后發(fā)展移動機器人定位導(dǎo)航技術(shù)時，要提升移動機器人在整合信息上的功能，保障所有的信息統(tǒng)一是今后移動機器人導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的方向。除此之外，還可以充分將目前的導(dǎo)航技術(shù)進行統(tǒng)一，全面利用超聲波、CPS定位和視覺成像技術(shù)，進而提升機器人收集和匯總信息的功能。

4.3 功能多樣化（室內(nèi)居住環(huán)境監(jiān)測）

在經(jīng)濟條件和科技條件逐步提升的如今，居民開始追求更高質(zhì)量的生活，對于居住環(huán)境的要求也逐漸提升，想要實現(xiàn)對居住環(huán)境的智能管理和操控，首先應(yīng)當(dāng)對其進行詳細的監(jiān)測，而未來的小型室內(nèi)機器人除了完成簡單指令外，必然還需要融合更加多樣化的功能，例如對于室內(nèi)居住環(huán)境的監(jiān)測。完善的環(huán)境監(jiān)測和定位一體化系統(tǒng)能夠?qū)Νh(huán)境中的有害氣體例如甲醛等的濃度進行監(jiān)測，對煤氣、天然氣等危害氣體的含量進行測量，并收集諸如溫度、濕度等與居住環(huán)境舒適度密切相關(guān)的參數(shù)，向用戶端的APP上發(fā)送相關(guān)信息，當(dāng)某種數(shù)據(jù)超標(biāo)時，能夠及時發(fā)出警報，提醒主人對此進行處理。此外，它還可利用定位技術(shù)實現(xiàn)精準(zhǔn)環(huán)境調(diào)控，根據(jù)主人指令對室內(nèi)的電子設(shè)備等進行操控和管理，通過開啟空調(diào)、排氣系統(tǒng)、拉窗簾等方式來調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，營造更加舒適、更能滿足個性化需求的環(huán)境，提高人們的生活質(zhì)量。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著科技的不斷進步和發(fā)展，在機器人學(xué)的研究中，小型室內(nèi)機器人定位技術(shù)一直是最為核心和關(guān)鍵的一項技術(shù)，在以后的分析探索關(guān)鍵內(nèi)容就是提升機器人的自主定位能力和其高精準(zhǔn)度定位能力，并優(yōu)化定位算法，來確保小型室內(nèi)機器人定位技術(shù)具有更高的可靠性和高速性。