機器人室內導航技術應用研究概述

楊思源 李蜀予 寧夏工商職業技術學院

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境和自身狀態進行判斷，計算導航路線，實現在有障礙物的環境中面向目標的自主運動，而機器人對環境的信息采集是機器人完成環境建模、路徑規劃等一系列操作的前提條件。為了實現更多的功能，對于工業機器人的要求更加精準。機器人的室內定位和路徑規劃是機器人研究的重要內容，可以更加精準的實現機器人室內精確導航。機器人技術逐漸進入服務行業，可以說機器人已經開始走進人們的日常生活。

而服務行業更多場合是在室內,所以機器人的室內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,因為室內環境復雜,具有可變等問題為室內導航和定位帶來了諸多問題,所以人們對室內導航和定位服務的需求日趨顯著。

2 室內導航的方法

(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，把發射的激光做為探測信號。機器人自帶的激光發射器發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劃。如果偏離軌道，可以及時做出調整，最終到達目的地。在機器人的車身兩側可以安裝激光傳感器，利用激光的發出和傳回來測量障礙物的位置和距離，利用兩側的激光傳感器和導航技術對路徑進行路徑規劃，使機器人規避障礙物。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，而且當一定空間內有多臺激光傳感機器人同時工作時，彼此發出的激光會干擾作業。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,容易受到環境變化的影響,數據處理量大,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境,根據所拍攝圖像處理與分析相關數據進行定位,視覺組合導航技術是將視覺導航與傳統的慣性,GPS,激光等一些導航技術相結合,可以實現相互彌補缺陷,可以提高系統的控制精度,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,夏凌楠等研究了一種結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,但是當室內環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建,最早由smith,self和cheseman于1988年提出,是實現真正全自主移動機器人的關鍵,是機器人在未知環境中從一個未知位置開始移動,在移動過程中根據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境信息,不需要提前布置場景,應用非常廣泛。

SLAM的優點在于機器人自己可以利用傳感器對周圍環境進行收集,不需要提前安裝引導標志.路徑規劃需要機器收集的環境信息,對路徑進行最優選擇,且規避碰撞等問題,目前,常用的路徑規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境中獲得信息,實時創建周圍環境地圖,并主動避障,自主導航。

3 室內導航地圖的方式

目前,室內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存在障礙物的概率.這種柵格地圖的優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，就是將整個室內分為若干點,直線和平面,幾何地圖的構建非常簡單,但需要在室內標記大量的特征,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不相符的情況。

(3）拓撲地圖，用許多節點和連接這些節點的曲線來表示環境信息.每個節點都是真實環境中的特征點,而節點之間額曲線表示兩個節點是聯通的.拓撲地圖是不需要表示不同節點的位置關系,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點選擇節點和節點之間的曲線來對路徑進行規劃。

(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勢,比單一地圖更加靈活和準確,但是構建地圖比較復雜,不同的地圖難以協調。

4 室內導航的發展前景

室內定位和導航技術逐漸由工業向服務和國防方向發展,尤其是人們的日常生活,隨著機器人室內定位和導航技術的發展,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 在生活節奏越來越快的情況下,越來越多的人選擇網上購物和訂餐,而現在各大平臺都是由人力來完成,機器人室內導航技術的發展,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,可以用在室內提前安裝導引物,利用AGV室內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劃,在規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 在救火現場,因為煙霧彌漫和室內情況復雜的情況下,室內定位和導航技術可以為消防人員準確提供室內情況,還可以為消防人員規劃安全進入路徑,保證人員安全。

5 面臨的挑戰

室內的環境復雜程度更高,容易發生變化,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和維修.這就限制了機器人的推廣和普及,很多室內研究都是應用于特殊環境,擴展性較小,室內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

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,容易產生較大的誤差,這種方法有著一定的環境局限性.AGV視覺導航技術是一種正在快速發展,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同時定位與地圖構建可以實現對陌生環境的信息收集,能有效實現路徑規劃,且規劃的路徑也能夠安全通過障礙物,三種室內導航技術中SLAM有較大優勢。