移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀與展望

亓默涵

[摘 要]當(dāng)前，移動機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)、科研實(shí)驗(yàn)和社會服務(wù)等領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。本文著重探討移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)，介紹移動機(jī)器人導(dǎo)航方式，分析目前導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，闡述移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)未來的發(fā)展趨勢，為有關(guān)研究機(jī)構(gòu)提供有價(jià)值參考。

[關(guān)鍵詞]移動機(jī)器人 導(dǎo)航技術(shù) 現(xiàn)狀 展望

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）18-0147-01

移動機(jī)器人導(dǎo)航是利用其傳感器，掃描、收集周圍環(huán)境信息，確定路線規(guī)劃并編輯程序使其移動。筆者認(rèn)為，經(jīng)過業(yè)內(nèi)科研人員不懈努力，移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)不論在理論研究或應(yīng)用實(shí)踐均取得積極成效，但展望未來，理論研究有待補(bǔ)充，技術(shù)難題亟待解決。

1. 移動機(jī)器人的導(dǎo)航方式概述

移動機(jī)器人在利用導(dǎo)航技術(shù)獲取周邊環(huán)境信息以確定行走方向或所在位置時(shí)，需綜合利用科學(xué)算法，得出數(shù)據(jù)模型并形成指令，方可規(guī)劃最優(yōu)路徑。

1.1.電磁導(dǎo)航

電磁導(dǎo)航是最早被研發(fā)的導(dǎo)航技術(shù)。技術(shù)人員在機(jī)器人預(yù)設(shè)路線上設(shè)置多條電線，機(jī)器人在運(yùn)行中通過接收電流頻率，通過感應(yīng)線圈感知行走指令[1]。經(jīng)過多年嘗試，科研人員認(rèn)定該方法準(zhǔn)確率高且運(yùn)用簡單，但前期鋪設(shè)電線需消耗過多人力、物力，因此該方法的維護(hù)成本較高。

1.2.視覺導(dǎo)航

視覺導(dǎo)航是機(jī)器人常用導(dǎo)航技術(shù)，其特點(diǎn)是探測信號范圍廣、信息獲取準(zhǔn)度高。研究人員在移動機(jī)器人頭部安裝巡航影像系統(tǒng)，其內(nèi)部含有傳感器辨識系統(tǒng)、圖像辨別系統(tǒng)和路徑規(guī)劃技術(shù)等。視覺導(dǎo)航采用電荷耦合器件圖像傳感器（簡稱CCD），它是集信息劃分、整理、讀取為一體的綜合傳感器，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)，CCD傳感器會將傳輸至系統(tǒng)原件的電荷轉(zhuǎn)移至影像系統(tǒng)內(nèi)的二維傳感器進(jìn)行合成，通過系統(tǒng)掃描對數(shù)據(jù)進(jìn)行量化建模，形成指令[2]。

1.3.其他導(dǎo)航技術(shù)

光反射導(dǎo)航是在機(jī)器人接收外界光線頻率以自主移動。該方法成本低廉、操作簡單，也是國內(nèi)機(jī)器人研發(fā)機(jī)構(gòu)使用較廣泛的方法。

聲音導(dǎo)航技術(shù)是機(jī)器人利用內(nèi)部聲音識別系統(tǒng)辨識無規(guī)律、無方向的聲音頻率，尤其是在光線不充足環(huán)境中，機(jī)器人可通過聲音精確定位；另外，味覺導(dǎo)航是應(yīng)用于機(jī)器人內(nèi)部高靈敏度的化學(xué)傳感器，根據(jù)氣味、氣流方向檢測氣流濃度情況，便于機(jī)器人搜尋氣源，確定行程路線。

2. 探討移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

筆者認(rèn)為，移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)在精確定位、路徑規(guī)劃、信息融合等方面有較強(qiáng)優(yōu)勢，但仍需提升技術(shù)指標(biāo)，校準(zhǔn)誤差，確保導(dǎo)航準(zhǔn)確性。

2.1.導(dǎo)航定位

國內(nèi)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)一般采用相對定位法，通過篩選距離、測定方位、計(jì)算最優(yōu)路徑等步驟，確保機(jī)器人按預(yù)定路線移動。該方法收集數(shù)據(jù)速度較快，但長期精準(zhǔn)較差。近些年，國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)引進(jìn)了慣性導(dǎo)航法，即利用陀螺儀測算機(jī)器人內(nèi)部控件轉(zhuǎn)速，利用加速計(jì)計(jì)算運(yùn)動加速度，反復(fù)測量以求得累積測量值。慣性導(dǎo)航法提升了測算效率，但在計(jì)算過程中無法避免時(shí)間誤差，若機(jī)器人移動距離較長，誤差會逐漸增大，定位精準(zhǔn)度下降。

國外機(jī)器人定位利用絕對定位法，即將機(jī)器人內(nèi)部導(dǎo)航系統(tǒng)與太空衛(wèi)星進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，衛(wèi)星可向機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸全球定位信息，并對重點(diǎn)位置標(biāo)記，便于技術(shù)人員更好地掌握路徑環(huán)境數(shù)據(jù)。絕對定位法有助于機(jī)器人較精確地感知局部環(huán)境信息，進(jìn)一步減少誤差風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.規(guī)劃路徑

路徑規(guī)范技術(shù)是機(jī)器人內(nèi)部搜索算法的實(shí)現(xiàn)，即確定目的地后，系統(tǒng)自動計(jì)算最優(yōu)路線信息，主要是測定最佳距離及避免障礙物。當(dāng)前，路徑規(guī)劃分為全局路徑技術(shù)與局部路徑技術(shù)，其中，全局路徑技術(shù)采用直線搜索法，即直接測算從起始點(diǎn)到終點(diǎn)的最短距離與最少用時(shí)，將此為最優(yōu)線路設(shè)計(jì)依據(jù)，而局部規(guī)劃技術(shù)是處于運(yùn)動中的機(jī)器人及時(shí)收集局部環(huán)境數(shù)據(jù)，并測算其加速度和檢測內(nèi)部性能，利用計(jì)算數(shù)值構(gòu)造模型，以控制機(jī)器人運(yùn)動不偏離預(yù)計(jì)方向。

2.3.傳感器的信息融合

傳感器是機(jī)器人應(yīng)用導(dǎo)航技術(shù)的載體。為強(qiáng)化傳感器信號輸入的準(zhǔn)確性與可靠性，國內(nèi)外研發(fā)機(jī)構(gòu)會在機(jī)器人頂部安置多位傳感器，既促進(jìn)對環(huán)境信息收集、分析和運(yùn)算速度，提升了測算準(zhǔn)確性，又使多部傳感器發(fā)揮重組或互補(bǔ)優(yōu)勢，進(jìn)一步完善系統(tǒng)數(shù)據(jù)計(jì)算的互補(bǔ)性，保證系統(tǒng)運(yùn)行高速和準(zhǔn)確性。另外，傳感器技術(shù)是模仿生物神經(jīng)系統(tǒng)處理信息模式，一般進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境下的信息描述和系統(tǒng)測算工作，用于篩選采集樣本、辨識信息的正誤，充分保證了多位傳感器系統(tǒng)的高度統(tǒng)一性。

3. 淺談移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)展望

目前，移動機(jī)器人導(dǎo)航領(lǐng)域的信息處理、精準(zhǔn)定位等研究理論和技術(shù)改造不斷提升，隨著網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)日益發(fā)展，未來機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)會有更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和更困難的問題等待我們?nèi)ヌ剿鳌⒔鉀Q。

3.1.改進(jìn)視覺導(dǎo)航技術(shù)

未來一段時(shí)間內(nèi)，視覺導(dǎo)航技術(shù)需重點(diǎn)提升系統(tǒng)測算精度，擴(kuò)充數(shù)據(jù)存儲容量，提高圖像處理速度。筆者認(rèn)為，視覺導(dǎo)航的發(fā)展趨勢是提高處理圖像靜態(tài)、動態(tài)的信息識別，使機(jī)器人時(shí)刻根據(jù)周邊環(huán)境變化以改進(jìn)路線，讓導(dǎo)航系統(tǒng)探測范圍更廣、信息收集更完整及圖像處理實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。

3.2.提升傳感器技術(shù)融合性

目前，機(jī)器人導(dǎo)航的多為傳感器融合技術(shù)，進(jìn)一步促進(jìn)了信息的融合性。但該技術(shù)適用環(huán)境需嚴(yán)格限制，原因是部分傳感器性能無法與視覺導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航等技術(shù)充分融合，無法勝任高精度測算任務(wù)[3]。因此，未來需要進(jìn)一步探究如何提升傳感器與不同導(dǎo)航系統(tǒng)的融合性，并加以改進(jìn)，讓機(jī)器人將來可不受環(huán)境約束，加速信息的融合、處理，不斷地獲取高精度的數(shù)據(jù)。

3.3.提升機(jī)器人系統(tǒng)性能

通常，機(jī)器人系統(tǒng)處理信息效率越高，則導(dǎo)航結(jié)果越精確，機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)在收集外界信息后，將其分解、歸類為基礎(chǔ)信息并逐一處理[4]。未來，科研人員通過升級當(dāng)前系統(tǒng)，開發(fā)模塊信息平臺，讓不同信息同時(shí)列于平臺上處理，提升系統(tǒng)運(yùn)行效率。

日后，國內(nèi)外的機(jī)器人研發(fā)機(jī)構(gòu)還會加強(qiáng)多位機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用。設(shè)計(jì)連接程序，將不同機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)串聯(lián)，使多個(gè)機(jī)器人利用空間通信法相互分享不同方位測定的數(shù)據(jù)，以此判定到達(dá)位置的最優(yōu)路徑，使機(jī)器人資源可最大化利用。

4. 結(jié)語

筆者認(rèn)為，現(xiàn)階段機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)為將來更進(jìn)一步實(shí)施技術(shù)改進(jìn)打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。今后，我們更需提高移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的定位精確性、信息融合性等方面，進(jìn)一步創(chuàng)新研發(fā)更優(yōu)質(zhì)性能的導(dǎo)航系統(tǒng)，并將網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的理念和技術(shù)逐漸滲入到機(jī)器人導(dǎo)航的研究領(lǐng)域，提高導(dǎo)航的人工智能性，使移動機(jī)器人更加造福于人類社會。

參考文獻(xiàn)

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[3] 張亮.動態(tài)環(huán)境下移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)研究[D].武漢科技大學(xué)，2013

[4] 鄭宏.移動機(jī)器人導(dǎo)航和SLAM系統(tǒng)研究[D].上海交通大學(xué)，2007.