人機交互方式下移動機器人自主導航技術的研究

李堯生

摘 要：科學技術成果為世界人民帶來方便快捷的同時，人機交互技術的產生與發展也在伴隨而來。在當今社會科學技術中，人機交互技術是最為重要的一部分，但是人機交互技術相對于計算機軟件及硬件技術的發展就顯得尤為落后了，顯然這一課題直接影響了人類能否對更多未知領域加以探索和認識的關鍵。很多學者都說在人機交互技術產生以來直接對移動機器人自主導航系統方面給予了極大地啟發和幫助，在20世紀各國對于機器人領域就開始涉足，面對全球人口資源的浪費和效率低等原因，機器人可以更好地改變目前這種現狀，尤其在一些人為情況下無法進行的工作，機器人就可以代替我們完成，機器人需要有自己的思想和判斷能力，那么自主導航能力那便成為首要的關鍵，人機交互技術的產生對于移動機器人自主導航技術的研究就提供了不可或缺的幫助，我們首先要明白什么是人機交互技術，它主要涉及哪些方面，在這些方面中移動機器人自主導航只是其中尤為關鍵的一個研發項目，如何更好讓我們對移動機器人自主導航有更多的了解，該文就從人機交互技術方面對此展開介紹，講解一下兩者之間究竟存在著哪些關聯，以及在移動機器人自主導航方面還存在哪些缺陷和未來的發展趨勢。

關鍵詞：人機交互技術 移動機器人 自主導航技術 發展 虛擬現實

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（c）-0032-02

1 人機交互技術的簡要概述

1.1 人機交互技術的形成

人機交互是指在人們發明計算機系統以來，伴隨著計算機系統產生的一系列科學研究的理論基礎。人機交互技術其實包括兩部分組成，一是人與計算機之間，二是計算機與人之間，兩者之間的相互交換，這是一個信息交互的過程。在1946年世界上第一臺數字計算機被發明以來，計算機逐漸被人們所認知，也不斷地融入我們的日常生活中，人們利用計算機本身的鍵盤、鼠標、數據庫、位置跟蹤器、壓力筆等設備，通過人類自己的眼睛、手腳、和身體的每一個動作向計算機系統傳遞著我們設定的信息，在此同時計算機也以繪圖儀、顯示屏、音箱等設備將我們所需要的信息輸出給我們，這樣就完成了信息間的相互交換。在當今科技領域人機交互技術與很多行業都有著密切的聯系，其中包括計算機科學領域、多媒體技術領域、虛擬現實技術的研發、心理學、認知科學和社會科學人類學和機器人研發領域，其中心理學和人機工程學是人機交互技術的理論基礎，其他幾門學科則與人機交互技術相互滲透，相輔相成，同時機器人也存在著幾種狀態，如表1。

所以說人機交互技術的產生和發展都對我們的日常生活不可或缺，產生著深遠影響。

1.2 人機交互技術包含哪幾個方面

隨著計算機技術的不斷發展和衍生，人機交互技術不再是單一的個體，同融合了多方面的知識，并且在很多行業中廣泛應用，接下來就幾個主要方面來簡單介紹下人機交互技術的應用發展在此列出幾個主要的方向：

（1）人機交互技術在界面上的設計應用

我們都知道一個計算機軟件的成功與否更多的是在于這個計算機系統的界面好壞，計算機的交互界面在設計上主要依靠于人機交互技術的設計方案和設計交互模型，這兩點在交互界面成敗中起著決定性的作用，也是我們目前正在研究的一項重要課題。

（2）人機交互技術是否具有可用性評估

在研究人機交互系統前首先要考慮到該系統的研發是不是具有可用價值，即使再好的工作系統沒有實用性那也不會成功使用。這也直接關系到客戶對人機交互系統的期望價值，只有將交互系統的可用價值進行分析比對，從而做出一套簡潔實用的系統才是問題的關鍵所在，也是我們一直遵循的原則。

（3）多通道交互技術的存在

在人機交互技術中有一種技術尤為關鍵，它可以將手勢、表情和語言都合理地結合起來，利用自然交互的方式完成人類對計算機系統的操控。這種技術其實就是一項多功能的整合技術，在利用評估方法、界面模型來相互融合，從而達到多通道交互技術，在鋼鐵俠中多通道交互技術有所體現。

（4）認知與智能用戶界面

我們所說的人機交互智能界面的主要功能其實就是將人類與計算機之間實現更為智能的交流，利用語言識別、手勢識別、表情識別、感知能力的識別等來解決計算機操作系統中用戶界面所需解決的問題。

（5）人機交互技術中的虛擬環境系統

計算機技術其實就是一種虛擬技術的存在，它可以利用多方面技術進行融合，來實現一種從聽覺、觸覺、感覺等方面來感知的高度真實的虛擬環境，在這個環境中有一種身臨其境的感覺，比如在電影阿凡達中就以此為實例運用了虛擬環境的人機交互技術。

（6）移動界面系統設計研發

隨著計算機技術的產生，伴隨而來的便是普通計算和移動計算的區分，以及在這些領域的發展，移動計算就預示著移動應用界面的產生，在設計問題上就應該考慮到移動設備所存在的一些缺點，比如位置不定性，無線網絡的限制性等，著都將是移動界面存在的一大難關，如何運用現有的科學技術將移動界面的開發設計達到最好的效果，已然成為人機交互技術中的另一技術難點。其中在機器人移動領域更為注重該技術的改進和研發。

2 人機交互方式下移動機器人導航技術的產生

在20世紀60年代末期，由于人類對于工作效率的提高和加強，逐步向研究人工智能技術在各種不可人為的環境中自主處理境況的方向發展，在改革開放以后，隨著計算技術的迅猛發展，一些老牌企業開始將目光投向移動機器人領域，投入大量資金，創建機器人研究組織及平臺，近些年來自主移動機器人開始出現在各個領域而且都取得了一些人類無法做到的成就，所以在目前看來在人機交互下移動機器人技術已經成為全球機器人學術界正在研究的一大熱點課題。在我們關注移動機器人的同時，要首先考慮我們所將要研制的機器人應該具備哪些功能，無論從行為上還是思維邏輯上，這都是人為在機器人程序內設定的，都是在按照我們的指示在進行工作，但是在機器人工作過程中也要具備一定的自主導航技術，這就是說在自主式移動機器人相關技術研究中，自主導航技術是這一技術的關鍵核心。我們所說的機器人自主導航其實是指移動機器人在進行工作移動時，通過傳感技術感知環境和自身狀態從而實現在不同環境下能有效準確地躲避障礙物向既定目標運行的自主運動，這個過程中相當于移動機器人自身通過傳感技術獲取了一定的思維。就當今科學技術而言，移動機器人導航技術還存在著許多缺陷和難關，首先我們應如何準確的獲取機器人在任何某種環境中所在的準確位置，以及環境周圍的信息，其次我們要確定一種準確簡潔的計算方法對機器人傳回的信息進行處理并且要建立環境模式，再次我們要尋找一種最好的方法對移動機器人的移動路線及時作出規劃，使機器人移動方式更為安全準確。雖然各國都對移動機器人自主導航技術方面取得了很大的進步和成果，但是在機器人自主導航技術的關鍵理論和核心技術上還是存在著很多缺陷，很多需要解決和完善。endprint

3 人機交互方式下移動機器人自主導航的方式有哪些

移動機器人的導航方式有很多，尤其是在人機交互方式下更為完善，其中有慣性導航、磁導航、視覺導航、基于傳感器數據導航、衛星導航等都是常見的。在每種環境中用到的導航方式也不一樣，比如地下埋線的導航方式在20世紀70年代才開始被迅速發展，但是這種導航技術造價成本很高，如果出現故障難以維修，所以很少被使用了。

（1）慣性導航

該導航方式是最為普遍的一種，是利用機器人裝配的光電編碼器來計算移動機器人所移動的量程，這也需要一種推算方法，進而在得知機器人當前的位置和布置下一步指令。

（2）磁導航

該導航方式現在主要應用于自動導引車上，在自動化物流運輸系統柔性生產組織系統的核心關鍵設備是AGV，在AGV的運行軌跡上會被埋入導線，導線上帶有交變電流，在導線周圍產生磁場，AGV上安裝著兩只磁傳感器，主要是用于檢驗磁場強度，從而引導車輛沿著所埋的導線進行正常運行。

（3）基于傳感器數據導航

我們所熟悉的機器人一般都會安裝傳感器，科研人員利用這些傳感器帶來的數據就可以實現機器人導航，通過事先設定好的神經網絡預測障礙物的可能位置，從而使機器人能夠在任何環境中及時作出自主導航。

（4）光反射導航定位系統

在光反射導航定位系統中主要是利用了激光或者紅外線技術來進行定位的，激光經過旋轉鏡向外發射，當掃描到由后向反射器構成的合作路標時，反射光經光電接收器處理檢測信號，啟動數據采集程序讀取旋轉機構的碼盤數據，通過通訊傳遞到上位機進行數據處理，根據這些信息就可確定當下的位置和方向，從而完成導航功能。

4 人機交互方式下移動機器人導航的相關技術

（1）人機交互技術

由于機器人要跟人直接打交道，對于這方面的技術稱之為人機交互技術，其中為了滿足客戶需求主要應該重視3點方式，一點是遙控方式，二點是語言加手勢輸入方式，三點是觸摸屏圖形界面輸入方式。

（2）導航定位技術

導航定位技術主要分為兩種，一是相對定位技術，它主要有測距法和慣性導航法兩種，測距法的主要是具有低廉的價格，良好的短期精度，以及較高效的采樣速率。絕對定位技術主要有三部分組成，其中全球定位系統也就是我們所熟知的GPS定位系統，主要用于移動機器人在定位時存在近距離定位精度低等問題的處理路標定位主要是指在機器人運行途徑中尋找特殊的路標定位，根據得到的信息結合外界環境來定位。地圖定位系統主要是機器人能夠接受自身的傳感器傳回的信息，并能將自身感知到的信息來自主分析進行判斷比較，從而實現導航定位。

（3）導航路徑規劃

導航路徑規劃是當前自主移動機器人技術中尤為重要的一個課題，它是指移動機器人按照某個性能指標搜索一條最為適合從初始狀態到結束狀態的路徑。其中根據環境建模方式和搜索策略的不同，可分為三類，分別是前向圖算法和基于隨機采樣的運動規則，還有基于自由空間幾何構造的規劃。前向圖算法主要包括心算搜索法、A算法、D算法和人工勢場算法，這些算法計算復雜，根本不適合解決高自由度機器人在各種環境中的規劃。基于隨機采樣的規劃算法主要用于克服人工勢場法存在的局部極小和在高維姿態空間中規劃時存在的效率問題，主要包括隨機路徑規劃器、概率路標算法及其變種算法。基于幾何構造的規劃方法有可視圖、切線圖以及精確格分解等方法。

5 機器人領域的新突破

隨著世界經濟的高速發展，人為經濟已經逐漸被社會經濟所取代，在社會經濟中科學技術是經濟發展的主體。在機器人領域也出現了一種新型技術，就是自主飛行機器人系統，它主要是用微型直升機作為模型來設計的復雜系統。在這個系統中可以通過安裝的導航系統獲取到所有傳感器傳回的數據，其中有機器人當前所在的位置，和當前的飛行狀態，控制模塊都會將這些信息反饋給計算機系統，飛行機器人會自主做出判斷，自主飛行機器人的導航系統主要由三個轉角傳感器，三個方向傳感器，羅盤，GPS信號接收設備，激光測量設備等組成，這是未來發展的一個新思路。

6 人機交互方式下移動機器人自主導航技術的發展趨勢

隨著計算機技術傳感技術不斷發展，科研人員對于自主機器人導航技術的要求又提出了新的觀點，自主移動機器人應用的領域也在不斷擴大，其復雜程度也就越來越高，也就給自主導航技術提出來新的技術難點。

（1）對于自主移動機器人進行分布式智能研究，其實就是指要將原來的主體指令分布到計算機本身的計算機個體中，然后由主機進行統一分層次的指揮，這樣便減小了機器人本身的重量，也能提高系統的反應速度方便靈活指揮。（2）在視覺導航系統中安裝多傳感器，這樣就盡可能的彌補視覺導航上存在的不足，機器人既能進行全局視覺又可以進行局部視覺，進一步實現了視覺信息的融合。

（3）隨著人類能源的枯竭，人類對于外太空的探索也正處于亟不可待的形式下，這樣網絡機器人的產生便是將來機器人發展的一個方向，也是我們研究的一個熱點。

（4）自主導航系統的實時性對于視覺導航的優勢發揮起著重要的作用，在靜動態圖像處理技術上還是有所欠缺，亟需解決。

（5）對于計算機虛擬技術的研究，在機器人自主導航系統中起到的作用，在未來會更加明顯，對于這點，科研人員可以創建一個仿真平臺，從多方面研究多傳感技術，也為機器人虛擬技術的實現打下鋪墊。

參考文獻

[1] 劉同明.數據融合技術及其應用[M].北京：國防工業出版社，1998.

[2] 楊靜宇.多傳感器集成與信息融合[J].機器人情報，1994（1）.

[3] 馬兆青，袁曾任.基于柵格方法的移動機器人實時導航與逃避[J].機器人，1996（6）.

[4] 王宏，張敏.基于地圖的室外移動機器人路徑規劃和導航系統[J].機器人，1994（1）.

[5] 李磊，葉濤，譚民，等.移動機器人技術研究現狀與未來[J].機器人，2002（5）.endprint