智能機(jī)器人自主位置的檢測常用的五種方法

導(dǎo)航和定位是移動(dòng)機(jī)器人研究的兩個(gè)重要問題。移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式可分 為：基于環(huán)境信息的地圖模型匹配導(dǎo)航；基于各種導(dǎo)航信號的路標(biāo)(landmark) 導(dǎo) 航、視覺導(dǎo)航和味覺導(dǎo)航等；環(huán)境地圖模型匹配(map matching)導(dǎo)航是機(jī)器人通過自身的各種傳感器，探測周圍環(huán)境，利用感知的局部環(huán)境信息進(jìn)行局部地圖構(gòu)造， 并與其內(nèi)部事先存儲的完整地圖進(jìn)行匹配，如兩模型相互匹配，機(jī)器人可確定自身 的位置。并根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的一條全局路線，采用路徑跟蹤和避障技術(shù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。 它涉及環(huán)境地圖模型建造和模型匹配兩大問題。

路標(biāo)導(dǎo)航是事先將環(huán)境中的一些 特殊景物作為路標(biāo).機(jī)器人在知道這些路標(biāo)在環(huán)境中的坐標(biāo)、形狀等特征的前提 下，通過對路標(biāo)的探測來確定自身的位置。根據(jù)路標(biāo)的不同，可分為人工路標(biāo)導(dǎo)航 和自然路標(biāo)導(dǎo)航，前者通過對人為放置的特殊標(biāo)志的識別實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，后者是機(jī)器人 通過對工作環(huán)境中自然特征的識別完成導(dǎo)航。路標(biāo)探測的穩(wěn)定性和魯棒性是研究 的主要問題。常利用視覺探測路標(biāo)來完成的機(jī)器人導(dǎo)航所涉及的視覺導(dǎo)航中邊緣 銳化、特征提取等圖像處理方法計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性差始終是一個(gè)瓶頸問題。味覺導(dǎo) 航是通過機(jī)器人配備的化學(xué)傳感器感知?dú)馕兜臐舛龋�根�?jù)氣味的濃度和氣流的方 向來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，由于氣味傳感器靈敏度高、響應(yīng)速度快以及魯棒性好等要 求難以達(dá)到，該項(xiàng)技術(shù)很少應(yīng)用到實(shí)際環(huán)境中，仍處于試驗(yàn)研究階段。還有一種比 較常用的方法是預(yù)先鋪設(shè)導(dǎo)軌，這種技術(shù)相對簡單，也容易實(shí)現(xiàn)，但有工作環(huán)境不 能隨意變更，任務(wù)不能變更，缺少靈活性等局限性。定位作為移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航Z基 本的環(huán)節(jié)，是確定機(jī)器人在二維工作環(huán)境中相對于全局坐標(biāo)的位置姿態(tài)。

定位方法根據(jù)機(jī)器人工作環(huán)境的復(fù)雜性，去配備傳感器的種類和數(shù)量的不同有多種方法， 主要有慣性定位、路標(biāo)定位和聲音定位等。慣性定位是在移動(dòng)機(jī)器人的車輪上裝 有光電編碼器或其他測速傳感器，通過對車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的記錄粗略地確定位置和姿態(tài)。 該方法雖然簡單，但是由于車輪與地面存在打滑現(xiàn)象產(chǎn)生的誤差，使累積誤差隨路 徑的增加而增大，定位誤差的逐漸累積會引起較大的偏差。路標(biāo)定位是在移動(dòng)機(jī) 器人工作的環(huán)境里，人為地設(shè)置一些坐標(biāo)已知的路標(biāo)，如超聲波發(fā)射器、激光反射 板等，通過對路標(biāo)的探測來確定自身的位置。

路標(biāo)定位也是普遍采用的方法，可獲 得較高的定位精度且計(jì)算量小，可用于實(shí)際的生產(chǎn)中，但該方法需要對工作環(huán)境預(yù) 先設(shè)定路標(biāo)，不太符合真正意義的自主導(dǎo)航。聲音定位用于物體超出視野之外或 光線很暗，視覺導(dǎo)航和定位失效的情況，基于聲音的無方向性和時(shí)間分辨率高等優(yōu) 點(diǎn)，采用Z大似然法、時(shí)空梯度法等方法可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的準(zhǔn)確定位。移動(dòng)機(jī)器人一 般用航位推算(dead reckoning)和全局位置推定(global positioning)識別位置和姿 態(tài)。

隨著GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，通過GPS 進(jìn)行定位是一種可行的方案。 GPS 定位精度高的P 碼僅供美軍和特許用戶使用，C/A 碼的定位精度不能滿足高 精度的軌跡控制要求。且GPS 信號在城市中高樓林立的區(qū)域、林蔭道、隧道、山洞 和建筑物內(nèi)部等接收困難，對工作環(huán)境有很多要求，對很多移動(dòng)機(jī)器人并不適用，

移動(dòng)機(jī)器人自主位置的檢測常用方法有以下幾種：

(1)在空中、宇宙、海中等三維移動(dòng)場合的計(jì)測，希望盡可能采用自主位置檢測法，原理上是依據(jù)通過3軸(X,Y,Z) 各自的加速度檢測和檢測各軸相對基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)角偏差的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來求解。

(2)在環(huán)境整備的二維平面上，如果由車輛的兩輪使機(jī)器人移動(dòng)，則從單位時(shí)間的旋轉(zhuǎn)量的和及差，利用公式可求得每個(gè)時(shí)刻車輛現(xiàn)有的位置和方位。

(3)用速度陀螺儀等求得每單位時(shí)間的移動(dòng)距離和單位時(shí)間的方位變化，計(jì)算出每個(gè)時(shí)刻的位置和方位。

(4)通過對周邊環(huán)境進(jìn)行圖像識別，計(jì)算檢測出自身的位置和方位。

(5)在沒有進(jìn)行環(huán)境整備的二維或三維環(huán)境中，通過作為某些計(jì)測目標(biāo)的(2) 及(3)的方法進(jìn)行概略位置和方位的檢測，并利用高精度修正系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。