室內移動機器人的定位導航技術探究

徐志智 李天劍

摘要：時代在發展，社會在進步，室內移動機器人雖然擁有飲食店的配送、銀行服務、機場清掃等各種各樣的應用場景，但出于當前部分的軟件以及硬件技術的不成熟的原因，無法大規模生產室內機器人，也因此不能在市場上普及。在導航及定位技術層面，采用視覺傳感器可以獲得比激光雷達更豐富的環境信息，由此可以構建更加準確的環境地圖，不過現在的方法定位的魯棒性需要提高。還需要改善地圖構筑方式。這篇文章基于地圖構建方法、視覺定位理論優化定位算法，討論如何實現在室內環境下機器人的定位導航功能。

關鍵詞：室內；移動機器人；定位導航技術

第三次工業革命后，隨著突飛猛進的現代科學技術，機器人技術越來越廣泛地進入人們日常生產和生活，極大地便利了現代人的日常生活，人們對機器人技術的要求也越來越高。在機器人科技領域，機器人定位導航技術已經作為最新研究成果出現了，機器人能通過設置定位導航技術，將自己的任務完成得更加精確，我們可以說機器人科技的發展是被立體定位導航技術大大促進了。

一、關于室內移動機器人的說明

（一）什么是室內服務機器人

現在，服務機器人的初步定義如下：服務機器人是可以完成對人類健康有益的服務，但不包括從事生產的設備的半自主或完全自主作業的機器人。它是可以移動的機器，根據現實情況，服務機器人與能夠在其上由一個移動平臺構成的機器人手臂的控制方式相同，在此所說的室內服務機器人是能夠在室內的作業環境下自主移動的智慧機器。

（二）什么是室內移動機器人的基礎特質

與工業機器人相比，在使用上，體積相對較小、需要自備電源、通用性較強，以及具備智能的功能是室內移動服務機器人的一般特點。此外，室內服務機器人還具備著按區域運行作業和可移動性的功能。室內服務機器普遍具備一定的步行功能來執行各種各樣的特定任務。這類功能在主要是在車輪或推進裝置等的行駛機構中實現，一般有多個控制輪存在機器人設置中來實現這類機器人的自主運動。并且具備自給電源；第二點是適應性，執行作業的機器人在障礙物間穿梭，在能回避這些障礙物的情況下進行工作，也有具有學習、感覺、判斷功能的服務機器人，這是因為它們廣泛采用了高性能視覺、聽覺、觸覺等多種傳感器，具有一定的感知能力和自主能力；第三，室內服務機器人具有輕便性，移動機器人的功能比較完善、機構多，這是盡可能需要的移動機器人的變速器和裝置，提高機動性減小其自重和容積，降低能耗。控制裝置也在輕量化的同時，盡量減少中間傳動機構，提高了機械傳動效率；第四就是這類機器人非常便于人們操作，室內移動服務機器人與人的關系非常密切，在機器與人的交互過程中也需要經過不斷地磨合和調整。基于這些條件，機器人設計者需要使機器人用戶與機器人之間的相互協作迅速、方便。

（三）室內移動機器人的研究背景

移動機器人的不斷發展過程中，科學家們首先以室內環境為背景開始探索研究移動機器人。在這種情況下，應用的背景和具體的任務并沒有得到針對性的研究，主要開展的是包括機器人結構設計、傳感器技術、控制技術、信息融合、路線計劃在內的技術的關于屋內的結構化環境的基本的初步研究。在外國知名院校和研究機構的早期研究中，許多重要的結論被科學家們總結出來了.除此之外，通過將多傳感器的信息與機器人相融合的運用，許許多多寶貴的經驗教訓得到了積累。基于前期研究技術的基礎，室內自主移動機器人的研究開始了。

（四）室內移動機器人的作業環境

辦公室、家庭辦公室、超級市場，這些結構化的環境是室內移動機器人的最常見的作業環境，這些地方有著許多的共同特征：垂直的墻壁、平的地板、規范的走廊、大廳。室內移動機器人與人類在此類環境中能達成良好的交互。機器人必須設法使自己做各種各樣的事情，在另一方面，通過假定環境相關的制約，機器人設計者可以在這樣的環境中取得現在的環境識別技術的缺點的平衡。

二、室內服務機器人及其導航系統總體設計需要

自主設計巡視路線室內服務機器人需要在復雜的作業環境下實現自主巡視的重要前提，服務路線的計劃需要利用機器人運動環境的地圖。根據室內服務機器人的檢查運動要求，設計室內服務機器人的導航系統。導航系統能夠通過各種傳感器檢測、探索作業環境，進而實現對作業環境的考慮的地圖構筑和機器人本體的定位。采用智能算法并使用構筑的地圖來進行機器人的行駛規劃。確保機器人系統能計劃路徑并查找最短的服務通道。我們第一步將分析室內服務機器人的導航系統的需求，根據導航系統的要求進行設計，完成對機器人的控制系統、感測系統、通信系統、動力系統、驅動系統以及決策系統的設計。確定整體設計要求和方案，確定室內服務機器人主體的硬件和軟件的框架系統。

室內服務機器人可能要在復雜危險的作業環境下進行任務。這就要求要有非常高的性能、電池續航時間等，同時需要更高的自主性和智慧。室內服務機器人研究重點主要包括以下問題：在將人的干預降到最低的情況下可以控制自主導航進而自主完成工作的能力，而且，室內服務機器人必須在某些特殊危險的工作環境下嚴格符合防爆要求，綜上所述，室內服務機器人研究的重點可以細分為以下這幾個問題：

首先是可持續的性能，室內服務機器人可根據檢查任務，時間間斷。通過連續作業，提高了電池續航時間，在提高電池續航時間的同時，充分利用了可能的機器人本體的空間，優化了結構，減輕了機器人本體的重量，其待機時間得到了提高；其次是機動性、室內服務機器人的工作環境復雜、未知、具備良好的機動性是室內服務機器人適應各式各樣的環境的重要前提，滿足非結構化地形環境的使用條件，可通過傾斜路段、臺階、溝等復雜地形進行服務。第三是環境認識能力、室內服務機器人的作業環境復雜、未知，這是必須具備的最后室內服務機器人，在工作中處于危險的工作環境下，例如化工廠、核電站、石油精煉所等。為避免室內服務機器人變成運行的潛在爆發源，造成不必要的財產經濟損失，這類機器人還需要具備良好的防爆性。

三、小結

機器人的導航是一項在機器人領域的基本研究，很多種類的機器人能夠完成其他復雜的任務作為在某一環境中自主移動的前提是這項研究的重要意義所在。科學技術不斷發展的這些年來，隨著機器人技術和人工智能技術的發展，整個社會不斷增加室內服務機器人的需求量，學術界和工業界也投入大量資源，對機器人的導航技術進行了深入的研究和應用探索。隨著室內機器人的導航技術逐漸成熟，隨著室內移動機器人的快速發展，單一導航技術已經不能滿足現代化的需求。通過提高機器人的導航技術，實現機器人技術水平的提高，擴大應用領域已經成為機器人發展的新趨勢，我們可以相信在未來的社會生活中，移動機器人必然會取得更好的發展。

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（作者單位：北京信息科技大學 機電工程學院）