带你“玩转”未知环境

2015年4月11日，第26届江苏省青少年科技创新大赛在宜兴顺利举行。经过3天的展示、答辩、交流活动，最终，来自江苏省锡山高级中学高三（9）班的谢超同学，以《基于航位推算法定位与深度优先遍历的未知环境遍历系统》斩获本次大赛最高奖“江苏省人民政府青少年科技创新培源奖”。谢超同学是本次大赛唯一获此殊荣的高中生，下面就让我们走近他的世界，看看他的研究成果是如何一点一滴地酝酿出来的。

流行歌曲《Call？Me？Maybe》的MTV讲述了这样一段有趣的故事：在明媚的阳光下，相貌英俊的男主角在自家后院的草坪上修剪草坪。他优雅地推着剪草机，就像在悠闲地散步。觉得热了，他便脱下身上那件白色背心，露出匀称的胸肌。这一幕恰巧被女主角瞥见，一段浪漫的爱情故事就此展开。

我们不妨换个场景：男主角在一片足球场上修剪草坪。这时，恐怕不仅女主角无法对他一见倾心，可怜的男主角也会因此愁眉苦脸，抱怨不已。

我倒是觉得，这种枯燥的工作应当由机器人来完成。也许只要给剪草机安上电池，再加个控制器来操纵它，用蛇形走法走完整个足球场就行了，反正足球场的长宽是已知的，事先设定好路线就行。

可是，如果换在未知环境中呢？要解决这个问题，其实只要解决定位和遍历这两大问题，接着设计一个模型车，再测试一下就OK了。

定位就是要确定模型车在未知环境中的绝对坐标和方向。

比如，常见的GPS就是一种手持定位设备，在地球上可应用于经纬度、海拔等信息的定位。你也许会想，既然GPS都可以在地球这么大的环境中定位了，那么应用在上述环境中肯定是轻而易举的。但是，上述问题定位的精度要求相对较高，民用GPS的定位精度只有几米，肯定没法满足。

不过，还有一种常见的“惯性导航”定位技术非常适合解决这个问题，这种技术被广泛地应用于航空航天、船舶定位等精度要求高的领域。这种技术听起来好像很厉害，但从原理上来说却很好理解。它利用传感器测出移动物体的加速度，再对加速度二次积分，就能推算出物体的坐标。但是，这种方法还是不可行，原因很简单，便宜的加速度模块精度和GPS差不了多少，能达到精度要求的模块价格至少是五位数，而且操作很复杂。

那怎么办呢？利用测速测向设备的推算导航，这个办法和惯性导航差不多，不同的是测速度，然后一次积分，而且模块便宜，精度又好。这种方法的缺点是有误差，要用PID进行反馈控制。至于PID如何操作，我也不太清楚。它是大学里自动化专业教授的东西，因此这个方案也行不通。

那么是不是就没法解决定位问题了呢？条条大路通罗马！还有一个看起来都算不上是个定位方法的办法：直接开环控制。所谓开环，我想举个倒水的例子：你要用饮水机接水，可以用眼睛看水有没有满，快满的时候就松开放水的按钮，像这样运用一些参考量来反馈控制输出量的方法就是闭环控制；相反，如果你接水的时候在和别人聊天，完全没有注意到水杯里的水位，也就是说这时你的眼睛没有提供一些参考来供你判断输出量（杯中水量）是否达到了预期（倒满），这就是开环。

开环的好处在于控制简单。只需要执行部件，即用手按放水按钮，但不需要提供参考的部件，即眼睛，也不需要根据参考信息来反馈控制输出量。这种方法的缺点是应对误差的能力差，闭着眼睛倒水，水可能溢出来。这个方法也不靠谱，看起来完全没法应用到实践中。比如，每秒钟产生1厘米的误差，十分钟后就达到了6米，误差累积起来是很可观的。

我们不妨换个思路，如果我们能够使误差尽可能的小，即使采用开环策略，我们也能在较短的运行时间内获得较高的精度。这就是我采用的方案，简单但可行。