机器人室内导航技术应用研究概述

杨思源 李蜀予 宁夏工商职业技术学院

1 前言

导航技术是机器人非常重要的技术应用之一，机器人通过传感器感知环境和自身状态进行判断，计算导航路线，实现在有障碍物的环境中面向目标的自主运动，而机器人对环境的信息采集是机器人完成环境建模、路径规划等一系列操作的前提条件。为了实现更多的功能，对于工业机器人的要求更加精准。机器人的室内定位和路径规划是机器人研究的重要内容，可以更加精准的实现机器人室内精确导航。机器人技术逐渐进入服务行业，可以说机器人已经开始走进人们的日常生活。

而服务行业更多场合是在室内,所以机器人的室内定位和导航的精度要求精确,在室外,GPS定位可以很好地满足机器人定位和导航的需要,但室内,因为室内环境复杂,具有可变等问题为室内导航和定位带来了诸多问题,所以人们对室内导航和定位服务的需求日趋显著。

2 室内导航的方法

(1）激光传感定位技术，激光传感定位技术采用的测距方法是反射式测距法,是以雷达原理作为基础，把发射的激光做为探测信号。机器人自带的激光发射器发射一定频率的激光束,接触到物体表面,反射的回波由接受在装置接受,对物体的方位,距离,大小等信息进行提取,使机器人的路径进行规划。如果偏离轨道，可以及时做出调整，最终到达目的地。在机器人的车身两侧可以安装激光传感器，利用激光的发出和传回来测量障碍物的位置和距离，利用两侧的激光传感器和导航技术对路径进行路径规划，使机器人规避障碍物。当然，激光传感器存在一定的缺陷容易受到外界信号的干扰，而且当一定空间内有多台激光传感机器人同时工作时，彼此发出的激光会干扰作业。精度和错误是激光传感定位的致命问题，因此，激光传感定位要在防干扰方面研究。

(2）AGV技术，即自动导引小车(Automated Guided Vehicle ),指装备有导航装置,能够按照规定路径行驶,并具有编程与停车选择,安全保护及各种移载功能的小车.是依靠摄像头采集铺设在面或空间内轨迹标志的图像对机器人进行精确导航技术的导航方法。

第一台自动导航引运输车诞生于1953年,已有60多年的历史,第一台自动导航引运输车是由一牵引式拖拉机改造而成。在自动导航引运输车技术方面,欧美国家起步较早,研究成果诸多,处于领先地位,例如美国研制的RALPH。虽然我国在自动导航引运输车技术方面起步较晚,但也成果斐然,例如吉林大学研制的JUTIV-3型视觉引导AGV,朱翔,潘峥嵘设计的FRGA+FIFO视觉导航。

自动导航引运输车同样存在缺陷,容易受到环境变化的影响,数据处理量大,且图像处理过程较为复杂,但是自动导航引运输车是一种新型技术,存在巨大的研究空间。

(3）视觉组合导航技术。人类用视觉从外界获取的信息约有80%,获取的信息十分全面而且利用率极高,在视觉导航方面日本的研究是世界领先的,相对来说中国起步较晚,计算机视觉常用于机器人的定位,机器人安装摄像机拍摄附近环境,根据所拍摄图像处理与分析相关数据进行定位,视觉组合导航技术是将视觉导航与传统的惯性,GPS,激光等一些导航技术相结合,可以实现相互弥补缺陷,可以提高系统的控制精度,这项技术可以解决视觉导航存在的一些不足,也是自动导航引运输车的一个重要研究方向,例如李泽明设计了诸多传感器融合的惯性导航模拟系统,夏凌楠等研究了一种结合视觉里程计与惯性传感器定位的方法.同时视觉定位也存在一些不可避免的缺点,虽然视觉定位准确性比较高,但是当室内环境复杂时很难一直保持高精度。

(4）SLAM技术，SLAM也称CML,即定时定位与地图构建,最早由smith,self和cheseman于1988年提出,是实现真正全自主移动机器人的关键,是机器人在未知环境中从一个未知位置开始移动,在移动过程中根据位置估计和地图进行自身定位,同时在自身定位的基础上建造增量式地图,实现机器人的自主定位和导航,SLAM是利用激光雷达和相机等传感器获取环境信息,不需要提前布置场景,应用非常广泛。

SLAM的优点在于机器人自己可以利用传感器对周围环境进行收集,不需要提前安装引导标志.路径规划需要机器收集的环境信息,对路径进行最优选择,且规避碰撞等问题,目前,常用的路径规划方法有蚁群算法和遗传算法等。艾瑞思机器人公司研制的SLAM导航移动机器人可以在未知环境中获得信息,实时创建周围环境地图,并主动避障,自主导航。

3 室内导航地图的方式

目前,室内导航技术的地图多采用四种表达方式,分别是栅格地图,几何地图,拓扑地图和混合地图。

(1）栅格地图，就是将整个室内看作一块矩形,把这块矩形均分为若干栅格单元,为每个栅格单元赋予一个平均值,计算每个栅格单元内存在障碍物的概率.这种栅格地图的优点就是计算非常直观,且制作和维护简单,信息量非常小,但当划分的栅格单元越大时,栅格地图的分辨率就会非常低。

(2）几何地图，就是将整个室内分为若干点,直线和平面,几何地图的构建非常简单,但需要在室内标记大量的特征,计算量非常大,所以几何地图的及时性较差,而且,重建的地图也容易出现不相符的情况。

(3）拓扑地图，用许多节点和连接这些节点的曲线来表示环境信息.每个节点都是真实环境中的特征点,而节点之间额曲线表示两个节点是联通的.拓扑地图是不需要表示不同节点的位置关系,图像比较抽象,表示十分方便和简单,机器人可以辊距识别节点选择节点和节点之间的曲线来对路径进行规划。

(4）混合地图，主要有3种形式：栅格·几何地图,几何·拓扑地图以及栅格·拓扑地图·混合地图具有多种地图的优势,比单一地图更加灵活和准确,但是构建地图比较复杂,不同的地图难以协调。

4 室内导航的发展前景

室内定位和导航技术逐渐由工业向服务和国防方向发展,尤其是人们的日常生活,随着机器人室内定位和导航技术的发展,机器人将应用于人类生活的方方面面。

(1）在快递和送餐中的应用 在生活节奏越来越快的情况下,越来越多的人选择网上购物和订餐,而现在各大平台都是由人力来完成,机器人室内导航技术的发展,可以更好地替人完成这项任务,基本可以做到送到客户手中,而且快递分拣也可以用大量机器人来完成分拣任务。

(2）导游型机器人的应用 在图书馆,博物馆等场所,可以用在室内提前安装导引物,利用AGV室内导航技术对游客进行导航和讲解服务,也可以用手机扫描功能扫描对自己的路线进行规划,在规划时也可以提示其中拥堵的景点,使游客避开拥堵景点。

(3）在火灾等应急救援中的应用 在救火现场,因为烟雾弥漫和室内情况复杂的情况下,室内定位和导航技术可以为消防人员准确提供室内情况,还可以为消防人员规划安全进入路径,保证人员安全。

5 面临的挑战

室内的环境复杂程度更高,容易发生变化,地图的改变会影响到机器人的定位精度,而且成本和复杂性较高,需要大量的人力物力以及后期的保养和维修.这就限制了机器人的推广和普及,很多室内研究都是应用于特殊环境,扩展性较小,室内导航所用地图也存在诸多问题.且机器人的供电问题也是一大难题,做复杂的任务需要的功率相对也较大。

6 总结

总体而言,激光传感定位及算法相较比较简单,但是容易受到外界干扰和其他激光传感定位机器人的干扰,容易产生较大的误差,这种方法有着一定的环境局限性.AGV视觉导航技术是一种正在快速发展,不断成长的新技术,需要提前安装导引标志物,但也存在路径形状复杂,边界模糊,光照和阴影干扰等诸多问题因此对硬件有较高要求.SLAM同时定位与地图构建可以实现对陌生环境的信息收集,能有效实现路径规划,且规划的路径也能够安全通过障碍物,三种室内导航技术中SLAM有较大优势。