室外智能移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)研究

賀喜

【摘 ?要】在當(dāng)今時(shí)代對(duì)智能機(jī)器人的研究越來(lái)越火熱，尤其是室外智能移動(dòng)機(jī)器人的研究和發(fā)展前景可謂是一片遼闊和光明。本文主要從室外移動(dòng)機(jī)器人的幾個(gè)典型系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析并對(duì)其發(fā)展?fàn)顩r和水平進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

【關(guān)鍵詞】移動(dòng)機(jī)器人;智能系統(tǒng);信息融合;導(dǎo)航定位

一、引言

室外智能移動(dòng)機(jī)器人是眾多研究機(jī)器人工程中的關(guān)鍵支系。它主要是具備人工智能控制、圖像及信息處理以及檢測(cè)轉(zhuǎn)換等諸多高新科技領(lǐng)域和專業(yè)學(xué)科的融合。是眼下機(jī)器人研究領(lǐng)域最為突出的探究熱點(diǎn)。在我們實(shí)際研究的機(jī)器人類型中室外智能移動(dòng)機(jī)器人無(wú)疑是當(dāng)前最能吸引人們眼球又具備很大的應(yīng)用空間和前景且很貼近人們生活的研究。伴隨著身邊關(guān)于機(jī)器人的一些報(bào)道和普及，相信大家聽(tīng)到室外智能移動(dòng)機(jī)器人這項(xiàng)研究時(shí)不再是那么遙不可及的事情。因?yàn)楝F(xiàn)在一提到無(wú)人駕駛技術(shù)相信大家都很樂(lè)于見(jiàn)到它的應(yīng)用，而且能明顯感覺(jué)到這種技術(shù)即將來(lái)到我們的生活并很大程度上提高我們的生活質(zhì)量。所以，對(duì)室外智能移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究具有十分重要的意義。

二、室外智能移動(dòng)機(jī)器人研究中的關(guān)鍵技術(shù)

室外智能移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)結(jié)構(gòu)相當(dāng)龐雜的系統(tǒng)，它除了具有跟普通汽車相類似的功能即控制行駛速度、行駛方向等常規(guī)操作外更重要的是他還加入了很多人工智能的技術(shù)和內(nèi)容，來(lái)代替人類實(shí)行相關(guān)的任務(wù)。例如說(shuō)自主導(dǎo)航和規(guī)劃相應(yīng)合理的路徑、感知并分析周圍環(huán)境等。因此，根據(jù)它的具體作用和運(yùn)行機(jī)制，可以將室外智能移動(dòng)機(jī)器人看作像人一樣具有智力上的分析和思考并做出具體的決策來(lái)指導(dǎo)自己實(shí)現(xiàn)相關(guān)的操作，但這一切的基礎(chǔ)是建立在具備智能化技術(shù)和移動(dòng)機(jī)制且結(jié)合了一些其他高新技術(shù)的機(jī)械智能系統(tǒng)之上。雖然說(shuō)室外智能移動(dòng)機(jī)器人的研究包括很多方面如檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù) 傳感器技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和人工智能等，但主要的還是集中于一些關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和突破工作上。

（一）環(huán)境信息分析處理技術(shù)

一個(gè)健全的人類依靠一雙明亮的眼睛來(lái)規(guī)劃出他日常行進(jìn)的道路，用眼睛來(lái)汲取周圍環(huán)境的信息再通過(guò)大腦思考來(lái)進(jìn)一步做出決策。同樣，類比人類的眼睛結(jié)構(gòu)由眼球、視網(wǎng)膜、視覺(jué)神經(jīng)等組成，室外智能移動(dòng)機(jī)器人的視覺(jué)體系結(jié)構(gòu)中的核心構(gòu)成則是機(jī)器人SLAM系統(tǒng)，SLAM系統(tǒng)通常具有激光SLAM和基于視覺(jué)的VSLAM，其機(jī)制是對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和計(jì)算并生成對(duì)應(yīng)自身位置姿態(tài)的定位和場(chǎng)景地圖信息，來(lái)指導(dǎo)下一步的行動(dòng)。另外有一些機(jī)器人視覺(jué)體系里還會(huì)加入三維激光雷達(dá)技術(shù)來(lái)汲取周圍環(huán)境的具體信息。室外移動(dòng)機(jī)器人這樣的視覺(jué)體系可否準(zhǔn)確的汲取到相關(guān)的環(huán)境信息對(duì)機(jī)器人在行駛過(guò)程中精確實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤和高效避讓一些路障十分關(guān)鍵。通過(guò)視覺(jué)感應(yīng)環(huán)境信息并分析處理的技術(shù)作為室外智能移動(dòng)機(jī)器人研究過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要內(nèi)容是相關(guān)信息的壓縮和濾波、障礙物檢測(cè)、路徑檢測(cè)、交通標(biāo)志識(shí)別等。其中的道路檢測(cè)和障礙物檢測(cè)最為重要，同時(shí)它又是相對(duì)復(fù)雜跟困難的任務(wù)。對(duì)于室外智能移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，視覺(jué)信息的集取便是局部路徑規(guī)劃以及實(shí)時(shí)導(dǎo)航的條件。在具體的道路檢測(cè)任務(wù)中有沒(méi)有做到準(zhǔn)確到位在某種程度上可以直接影響實(shí)際中具體道路環(huán)境的識(shí)別，間接決定了能否準(zhǔn)確無(wú)誤的做到局部路徑規(guī)劃及路徑跟蹤。在實(shí)際的技術(shù)研發(fā)中，為達(dá)到簡(jiǎn)化信息處理降低開發(fā)難度，往往把室外智能移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境區(qū)分為結(jié)構(gòu)化道路和非結(jié)構(gòu)化道路兩種環(huán)境。其中的結(jié)構(gòu)化道路比較容易實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，通常都是以邊緣檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行模式匹配等，并用最小二乘法的處理對(duì)應(yīng)道路邊界線。進(jìn)而得出具體的道路幾何形狀的描述。而另外一種即非結(jié)構(gòu)化道路則體現(xiàn)出一種相對(duì)復(fù)雜環(huán)境檢測(cè)，對(duì)于它的特征描述比較困難，也導(dǎo)致了非結(jié)構(gòu)化道路信息檢測(cè)和處理的復(fù)雜性。

（二）室外智能移動(dòng)機(jī)器人的定位系統(tǒng)

室外智能移動(dòng)機(jī)器人的行駛?cè)蝿?wù)需要建立在準(zhǔn)確的定位基礎(chǔ)上。而不同類型定位技術(shù)的應(yīng)用對(duì)應(yīng)的各自都具有相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，所以實(shí)際的室外智能移動(dòng)機(jī)器人中結(jié)合不同的定位技術(shù)綜合使用，來(lái)提升相應(yīng)定位的準(zhǔn)確性和可靠性。而這一過(guò)程主要涉及到的技術(shù)有蒙托卡羅（MCL）定位計(jì)算方法和IMU、陀螺儀、雷達(dá)定位等。其中的螺旋儀是一種用來(lái)傳感與維持方向的傳感器，它主要是由一個(gè)位于軸心且可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子構(gòu)成。一旦開始旋轉(zhuǎn)，由于轉(zhuǎn)子的角動(dòng)量，讓其有抗拒方向改變的趨向，而慣性傳感器（IMU）主要是檢測(cè)和測(cè)量加速度、傾斜、沖擊、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和多自由度（DoF）運(yùn)動(dòng)。通過(guò)IMU和陀螺儀及MCL的組合應(yīng)用，可以明顯增強(qiáng)機(jī)器人本身的定位精確度，從而更準(zhǔn)確的完成相應(yīng)的任務(wù)。

（三）多傳感器的信息融合技術(shù)

當(dāng)實(shí)際生活中無(wú)人駕駛車輛行駛時(shí)需要持續(xù)不斷地收集和感應(yīng)周邊環(huán)境的信息和自身的狀態(tài)信息。而因?yàn)槠涔ぷ鳝h(huán)境的復(fù)雜性加之無(wú)人駕駛車輛狀態(tài)的不確定特性跟單一傳感器的局限性形成了明顯的不匹配現(xiàn)象。所以單靠一種傳感器實(shí)則不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的準(zhǔn)確感知。畢竟就算是人類也不是只靠單一的身體傳感機(jī)制就能完成相應(yīng)工作的。因此，為了實(shí)現(xiàn)即使處于復(fù)雜且不確定的環(huán)境下智能移動(dòng)機(jī)器人也能完成準(zhǔn)確的自主性，往往在智能移動(dòng)機(jī)器人中安裝不同種類的諸多傳感器。具體如通常用卡爾曼濾波、Dempster-Shafer 證據(jù)推理等技術(shù)將不同類型傳感器帶來(lái)的環(huán)境信息做出相應(yīng)的融合跟集成處理，來(lái)精確地反映環(huán)境特征。這樣的信息融合可以有效的提高準(zhǔn)確率，且環(huán)境信息不至于缺乏關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而且在另一個(gè)方向上可以有效保證機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，一定程度上降低相應(yīng)的成本。

（四）機(jī)器人控制技術(shù)與路徑規(guī)劃技術(shù)

在室外智能移動(dòng)機(jī)器人研究中，車體控制技術(shù)其根本目的跟關(guān)鍵要點(diǎn)。而智能移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航跟控制工作的基礎(chǔ)是而路徑規(guī)劃。室外智能移動(dòng)機(jī)器人的行為應(yīng)該依照具體的環(huán)境信息狀況結(jié)合給定的任務(wù)和變化的環(huán)境來(lái)實(shí)時(shí)進(jìn)行車體的控制。這樣一個(gè)過(guò)程中，第一，要能準(zhǔn)確理解給定的任務(wù)，并作出相應(yīng)的全局路徑規(guī)劃。

而在具體的路徑規(guī)劃中，主要是利用一個(gè)完整的地圖數(shù)據(jù)庫(kù)里具備的信息來(lái)制定出一條暢通無(wú)阻的途徑，且是從起點(diǎn)至終點(diǎn)。當(dāng)前主要分析和探究結(jié)構(gòu)化道路在很多環(huán)境因素的影響下應(yīng)對(duì)的路徑規(guī)劃技術(shù)，以及相對(duì)自然的地形基礎(chǔ)上的路徑規(guī)劃等。當(dāng)然，還得把機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的對(duì)意外事故的反應(yīng)及臨時(shí)調(diào)整路徑考慮進(jìn)去。因?yàn)樵谌忠?guī)劃下的路徑比較的粗略，精細(xì)度不夠，如路徑的陡度、彎度、寬度、分岔路口和路上障礙物等具體信息的掌控遠(yuǎn)遠(yuǎn)能適用于實(shí)際行駛過(guò)程。所以，室外智能移動(dòng)機(jī)器人在行進(jìn)的過(guò)程中應(yīng)該把局部環(huán)境感知和收集到的信息結(jié)合自身的狀態(tài)信息來(lái)做出具體的、明確的路徑規(guī)劃，且這個(gè)路徑是短程內(nèi)暢通無(wú)阻的理想化路徑。這即是所謂的比較科學(xué)準(zhǔn)確的局部路徑規(guī)劃。到了具體的控制機(jī)器的階段則需要依照上面的局部路勁規(guī)劃的結(jié)果和本機(jī)器的實(shí)時(shí)位置、行駛方向及行駛速度實(shí)施相應(yīng)的決策，再進(jìn)一步給機(jī)械裝置發(fā)出駕駛的指令。

三、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)前文中的論述可知當(dāng)前的室外智能移動(dòng)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)的智能方面的自主性跟做到真正實(shí)用化的程度還具有比較遠(yuǎn)的一段距離?？蓮牧硪粋€(gè)角度看，眼下我國(guó)在這領(lǐng)域內(nèi)取得的一些研究成果依然是值得我們驕傲和激動(dòng)的。相信伴隨著人工智能控制技術(shù)、先進(jìn)機(jī)械制造工藝及互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)的突破和進(jìn)步，室外智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用和推廣將很快來(lái)到我們的實(shí)際生活，并很好的為我們服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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（作者身份證號(hào)碼：420324198411253857）