機器人室內(nèi)導航技術應用研究概述

楊思源 李蜀予 寧夏工商職業(yè)技術學院

1 前言

導航技術是機器人非常重要的技術應用之一，機器人通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)進行判斷，計算導航路線，實現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標的自主運動，而機器人對環(huán)境的信息采集是機器人完成環(huán)境建模、路徑規(guī)劃等一系列操作的前提條件。為了實現(xiàn)更多的功能，對于工業(yè)機器人的要求更加精準。機器人的室內(nèi)定位和路徑規(guī)劃是機器人研究的重要內(nèi)容，可以更加精準的實現(xiàn)機器人室內(nèi)精確導航。機器人技術逐漸進入服務行業(yè)，可以說機器人已經(jīng)開始走進人們的日常生活。

而服務行業(yè)更多場合是在室內(nèi),所以機器人的室內(nèi)定位和導航的精度要求精確,在室外,GPS定位可以很好地滿足機器人定位和導航的需要,但室內(nèi),因為室內(nèi)環(huán)境復雜,具有可變等問題為室內(nèi)導航和定位帶來了諸多問題,所以人們對室內(nèi)導航和定位服務的需求日趨顯著。

2 室內(nèi)導航的方法

(1）激光傳感定位技術，激光傳感定位技術采用的測距方法是反射式測距法,是以雷達原理作為基礎，把發(fā)射的激光做為探測信號。機器人自帶的激光發(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,對物體的方位,距離,大小等信息進行提取,使機器人的路徑進行規(guī)劃。如果偏離軌道，可以及時做出調(diào)整，最終到達目的地。在機器人的車身兩側(cè)可以安裝激光傳感器，利用激光的發(fā)出和傳回來測量障礙物的位置和距離，利用兩側(cè)的激光傳感器和導航技術對路徑進行路徑規(guī)劃，使機器人規(guī)避障礙物。當然，激光傳感器存在一定的缺陷容易受到外界信號的干擾，而且當一定空間內(nèi)有多臺激光傳感機器人同時工作時，彼此發(fā)出的激光會干擾作業(yè)。精度和錯誤是激光傳感定位的致命問題，因此，激光傳感定位要在防干擾方面研究。

(2）AGV技術，即自動導引小車(Automated Guided Vehicle ),指裝備有導航裝置,能夠按照規(guī)定路徑行駛,并具有編程與停車選擇,安全保護及各種移載功能的小車.是依靠攝像頭采集鋪設在面或空間內(nèi)軌跡標志的圖像對機器人進行精確導航技術的導航方法。

第一臺自動導航引運輸車誕生于1953年,已有60多年的歷史,第一臺自動導航引運輸車是由一牽引式拖拉機改造而成。在自動導航引運輸車技術方面,歐美國家起步較早,研究成果諸多,處于領先地位,例如美國研制的RALPH。雖然我國在自動導航引運輸車技術方面起步較晚,但也成果斐然,例如吉林大學研制的JUTIV-3型視覺引導AGV,朱翔,潘崢嶸設計的FRGA+FIFO視覺導航。

自動導航引運輸車同樣存在缺陷,容易受到環(huán)境變化的影響,數(shù)據(jù)處理量大,且圖像處理過程較為復雜,但是自動導航引運輸車是一種新型技術,存在巨大的研究空間。

(3）視覺組合導航技術。人類用視覺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,在視覺導航方面日本的研究是世界領先的,相對來說中國起步較晚,計算機視覺常用于機器人的定位,機器人安裝攝像機拍攝附近環(huán)境,根據(jù)所拍攝圖像處理與分析相關數(shù)據(jù)進行定位,視覺組合導航技術是將視覺導航與傳統(tǒng)的慣性,GPS,激光等一些導航技術相結(jié)合,可以實現(xiàn)相互彌補缺陷,可以提高系統(tǒng)的控制精度,這項技術可以解決視覺導航存在的一些不足,也是自動導航引運輸車的一個重要研究方向,例如李澤明設計了諸多傳感器融合的慣性導航模擬系統(tǒng),夏凌楠等研究了一種結(jié)合視覺里程計與慣性傳感器定位的方法.同時視覺定位也存在一些不可避免的缺點,雖然視覺定位準確性比較高,但是當室內(nèi)環(huán)境復雜時很難一直保持高精度。

(4）SLAM技術，SLAM也稱CML,即定時定位與地圖構(gòu)建,最早由smith,self和cheseman于1988年提出,是實現(xiàn)真正全自主移動機器人的關鍵,是機器人在未知環(huán)境中從一個未知位置開始移動,在移動過程中根據(jù)位置估計和地圖進行自身定位,同時在自身定位的基礎上建造增量式地圖,實現(xiàn)機器人的自主定位和導航,SLAM是利用激光雷達和相機等傳感器獲取環(huán)境信息,不需要提前布置場景,應用非常廣泛。

SLAM的優(yōu)點在于機器人自己可以利用傳感器對周圍環(huán)境進行收集,不需要提前安裝引導標志.路徑規(guī)劃需要機器收集的環(huán)境信息,對路徑進行最優(yōu)選擇,且規(guī)避碰撞等問題,目前,常用的路徑規(guī)劃方法有蟻群算法和遺傳算法等。艾瑞思機器人公司研制的SLAM導航移動機器人可以在未知環(huán)境中獲得信息,實時創(chuàng)建周圍環(huán)境地圖,并主動避障,自主導航。

3 室內(nèi)導航地圖的方式

目前,室內(nèi)導航技術的地圖多采用四種表達方式,分別是柵格地圖,幾何地圖,拓撲地圖和混合地圖。

(1）柵格地圖，就是將整個室內(nèi)看作一塊矩形,把這塊矩形均分為若干柵格單元,為每個柵格單元賦予一個平均值,計算每個柵格單元內(nèi)存在障礙物的概率.這種柵格地圖的優(yōu)點就是計算非常直觀,且制作和維護簡單,信息量非常小,但當劃分的柵格單元越大時,柵格地圖的分辨率就會非常低。

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

(3）拓撲地圖，用許多節(jié)點和連接這些節(jié)點的曲線來表示環(huán)境信息.每個節(jié)點都是真實環(huán)境中的特征點,而節(jié)點之間額曲線表示兩個節(jié)點是聯(lián)通的.拓撲地圖是不需要表示不同節(jié)點的位置關系,圖像比較抽象,表示十分方便和簡單,機器人可以輥距識別節(jié)點選擇節(jié)點和節(jié)點之間的曲線來對路徑進行規(guī)劃。

(4）混合地圖，主要有3種形式：柵格·幾何地圖,幾何·拓撲地圖以及柵格·拓撲地圖·混合地圖具有多種地圖的優(yōu)勢,比單一地圖更加靈活和準確,但是構(gòu)建地圖比較復雜,不同的地圖難以協(xié)調(diào)。

4 室內(nèi)導航的發(fā)展前景

室內(nèi)定位和導航技術逐漸由工業(yè)向服務和國防方向發(fā)展,尤其是人們的日常生活,隨著機器人室內(nèi)定位和導航技術的發(fā)展,機器人將應用于人類生活的方方面面。

(1）在快遞和送餐中的應用 在生活節(jié)奏越來越快的情況下,越來越多的人選擇網(wǎng)上購物和訂餐,而現(xiàn)在各大平臺都是由人力來完成,機器人室內(nèi)導航技術的發(fā)展,可以更好地替人完成這項任務,基本可以做到送到客戶手中,而且快遞分揀也可以用大量機器人來完成分揀任務。

(2）導游型機器人的應用 在圖書館,博物館等場所,可以用在室內(nèi)提前安裝導引物,利用AGV室內(nèi)導航技術對游客進行導航和講解服務,也可以用手機掃描功能掃描對自己的路線進行規(guī)劃,在規(guī)劃時也可以提示其中擁堵的景點,使游客避開擁堵景點。

(3）在火災等應急救援中的應用 在救火現(xiàn)場,因為煙霧彌漫和室內(nèi)情況復雜的情況下,室內(nèi)定位和導航技術可以為消防人員準確提供室內(nèi)情況,還可以為消防人員規(guī)劃安全進入路徑,保證人員安全。

5 面臨的挑戰(zhàn)

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

6 總結(jié)

總體而言,激光傳感定位及算法相較比較簡單,但是容易受到外界干擾和其他激光傳感定位機器人的干擾,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視覺導航技術是一種正在快速發(fā)展,不斷成長的新技術,需要提前安裝導引標志物,但也存在路徑形狀復雜,邊界模糊,光照和陰影干擾等諸多問題因此對硬件有較高要求.SLAM同時定位與地圖構(gòu)建可以實現(xiàn)對陌生環(huán)境的信息收集,能有效實現(xiàn)路徑規(guī)劃,且規(guī)劃的路徑也能夠安全通過障礙物,三種室內(nèi)導航技術中SLAM有較大優(yōu)勢。