矩陣式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)及室內(nèi)定位技術(shù)研究

唐葉劍　饒青華

摘要：隨著工業(yè)機(jī)器人及服務(wù)類移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展，室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。在自主移動(dòng)機(jī)器人的研究領(lǐng)域中，機(jī)器人自定位是一個(gè)非常重要的研究方向，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人導(dǎo)航和其他智能行為的前提。該文對(duì)矩陣式機(jī)器人系統(tǒng)控制平臺(tái)及室內(nèi)定位技術(shù)開(kāi)展研究，提出一種基于視覺(jué)定位及慣性導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人定位方法。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人；自定位；導(dǎo)航

1國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及背景分析

美國(guó)Unimation公司在1961年研究制造了世界上首臺(tái)復(fù)式工業(yè)機(jī)器人，其他國(guó)家十分重視美國(guó)的機(jī)器人制造技術(shù)，認(rèn)為這一技術(shù)在未來(lái)會(huì)促進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近些年，世界各國(guó)大力發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)，機(jī)器人得到了廣泛的運(yùn)用，很多領(lǐng)域都要運(yùn)用到機(jī)器人技術(shù)。在機(jī)器人學(xué)中有一個(gè)重要的組成部分是移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)。各國(guó)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行深入的研究，研究?jī)?nèi)容涉及很多方面，首先要考慮到機(jī)器人的移動(dòng)方式，可以通過(guò)履帶、輪子、腿式來(lái)移動(dòng)，應(yīng)用于水下研究的機(jī)器人常通過(guò)推進(jìn)器的方式移動(dòng)。另外要考慮到的是控制驅(qū)動(dòng)器的方式，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)器讓機(jī)器人執(zhí)行設(shè)定好的操作。接著考慮機(jī)器人前進(jìn)路徑的導(dǎo)航，對(duì)于路徑規(guī)劃需要考慮到很多方面，例如：傳感器融合、避免碰撞環(huán)、提取特征和境映射。移動(dòng)機(jī)器人需要具備感知周邊環(huán)境、做出合理的規(guī)劃和決策、執(zhí)行設(shè)定的動(dòng)作等多種功能。屬于一類功能復(fù)雜的綜合系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行深入的研究，不斷遇到新的技術(shù)挑戰(zhàn)，需要不同領(lǐng)域的專家提供技術(shù)支持，吸引學(xué)者和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。在軍事領(lǐng)域移動(dòng)機(jī)器人可以用于掃雷排險(xiǎn)、軍事偵察、防止化學(xué)污染等，可以在惡劣的環(huán)境下使用。在民用上可用于搬運(yùn)物料。所以世界各國(guó)對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展極其重視。

移動(dòng)機(jī)器人的主要技術(shù)包括下面三種：

1）核心技術(shù)-導(dǎo)航技術(shù)，導(dǎo)航技術(shù)主要指機(jī)器人借助傳感器感知周圍環(huán)境的變化以及自身狀態(tài)，在前進(jìn)的過(guò)程中避免發(fā)生碰撞，躲避障礙物向著目標(biāo)前進(jìn)?，F(xiàn)在移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)用到的導(dǎo)航技術(shù)主要包括以下幾類：視覺(jué)導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、磁導(dǎo)航。在視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)中，通過(guò)攝像頭拍攝在道路上碰到的障礙物以及識(shí)別路標(biāo)，通過(guò)對(duì)攝像頭拍攝得到的圖像信息進(jìn)行識(shí)別分析實(shí)現(xiàn)機(jī)器人導(dǎo)航。具備獲取信息完整、信號(hào)探測(cè)范圍廣這些優(yōu)點(diǎn)，移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)向著視覺(jué)導(dǎo)航的方向發(fā)展，各國(guó)的學(xué)者對(duì)視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

2）關(guān)鍵技術(shù)-多傳感器信息融合技術(shù)，最早開(kāi)始對(duì)多傳感器信息融合技術(shù)進(jìn)行研究是在20世紀(jì)80年代，信息融合指的是通過(guò)對(duì)傳感器傳遞過(guò)來(lái)的環(huán)境信息進(jìn)行集成處理，將外部環(huán)境統(tǒng)一表達(dá)。需要用到信息互補(bǔ)性、信息實(shí)時(shí)性、信息冗余性以及信息低成本性。所以能夠精確地將外部環(huán)境的信息特征完整反映出來(lái)，通過(guò)對(duì)周圍環(huán)境的正確判斷機(jī)器人執(zhí)行適當(dāng)?shù)牟僮鳎軌虼_保機(jī)器人系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確穩(wěn)定的運(yùn)行?，F(xiàn)如今對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的多傳感器融合技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，主要運(yùn)用了以下的研究方法，卡爾曼濾波，加權(quán)平均法，貝葉斯估計(jì)，產(chǎn)生規(guī)則，D-S證據(jù)理論推理，模糊邏輯等等。比如科學(xué)家命名為Xavier的機(jī)器人，安裝有很多傳感器，比如聲吶、彩色攝像機(jī)、激光探測(cè)器等，這種機(jī)器人的導(dǎo)航功能很全面。

3）機(jī)器人內(nèi)部最核心的組成部分是控制器，控制器的和機(jī)器人系統(tǒng)的性能有直接的關(guān)系?，F(xiàn)如今，各國(guó)在機(jī)器人小車上使用到的控制系統(tǒng)核心處理器從之前的80C196、MCS-51的8位、16位微控制器發(fā)展到現(xiàn)在的DSP、高性能32位微控制器。因?yàn)槟K化系統(tǒng)有很好的發(fā)展前景，是現(xiàn)在機(jī)器人控制器的研究重點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器。

2要解決的主要問(wèn)題

1）解決傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人定位精度低，導(dǎo)航施工困難，以及定位導(dǎo)航高成本的問(wèn)題，能夠采用低成本，高精度，易實(shí)施的移動(dòng)機(jī)器人定位導(dǎo)航策略。

2）解決傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)獨(dú)立，無(wú)法集群化，群組化控制的問(wèn)題，能夠采用一主多從，且可增刪機(jī)器人數(shù)量，柔性化控制的機(jī)器人智能化調(diào)度解決方案。

3）解決傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人底盤(pán)通過(guò)性低，機(jī)動(dòng)性差問(wèn)題，能夠滿足機(jī)器人原地旋轉(zhuǎn)，精確角度定位行走需求。

整體來(lái)說(shuō)，因?yàn)楝F(xiàn)在機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的不斷完善，機(jī)器人性能的不斷提升，以視覺(jué)為基礎(chǔ)的導(dǎo)航技術(shù)得到很大的發(fā)展。根據(jù)現(xiàn)在對(duì)室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的研究成果，主要有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：

1）通過(guò)視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)實(shí)時(shí)的對(duì)周邊環(huán)境的視覺(jué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)據(jù)處理之后讓機(jī)器人執(zhí)行導(dǎo)航任務(wù)，由于從圖像中提取到的信息有限，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)航的失敗。所以要實(shí)現(xiàn)視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)，要同時(shí)提升硬件水平以及并行處理技術(shù)，通過(guò)智能算法的運(yùn)用讓機(jī)器人準(zhǔn)確的執(zhí)行導(dǎo)航任務(wù)。

2）多傳感器融合和導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合起來(lái)使用?？梢詫⑦@兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的精確度。

另外，由于現(xiàn)在機(jī)器人使用的導(dǎo)航技術(shù)比較單一，使用一種導(dǎo)航方式存在一定的局限性。現(xiàn)在的地圖和路標(biāo)也不夠詳細(xì)，使用幾何地圖的過(guò)程較復(fù)雜；粒子濾波方法的計(jì)算量過(guò)大；卡爾曼定位受到測(cè)量噪聲是高斯白噪聲的限制。所以不僅要對(duì)單一的定位方法進(jìn)行完善，同時(shí)還可以綜合使用各種技術(shù)對(duì)其起到彌補(bǔ)的作用。

3主要的研究方法與技術(shù)路線

1）通過(guò)視覺(jué)定位定位技術(shù)，磁傳感技術(shù)以及慣性導(dǎo)航技術(shù)融合，解決傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人市內(nèi)定位精度低，施工難度大，調(diào)度困難等問(wèn)題；開(kāi)發(fā)出一種高精度，無(wú)軌化的機(jī)器人導(dǎo)航及定位方法。

2）采用六輪減震差速結(jié)構(gòu)的AGV驅(qū)動(dòng)底盤(pán)方案解決目前市場(chǎng)上一般移動(dòng)AGV機(jī)器人通過(guò)性差，轉(zhuǎn)彎性能差，機(jī)動(dòng)性不好等問(wèn)題；

3）采用視覺(jué)定位矩陣式地標(biāo)卡系統(tǒng)方案，棋盤(pán)式調(diào)度控制方案解決傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人調(diào)度困難，路徑規(guī)劃復(fù)雜等問(wèn)題；

4）采用ZigBee自組網(wǎng)系統(tǒng)，調(diào)度和控制集成AGV群組，并設(shè)立基站，解決傳統(tǒng)AGV機(jī)器人控制單一，不能夠群組集成的劣勢(shì)；解決群組移動(dòng)機(jī)器人的智能化調(diào)度。

5）采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法解決移動(dòng)機(jī)器人在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃中單一，不可控等問(wèn)題；解決機(jī)器人在矩陣式運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃當(dāng)中的障礙物，最優(yōu)化路徑等問(wèn)題方法。

4預(yù)期目標(biāo)與成果

根據(jù)以上分析，目前我們可以研發(fā)及設(shè)計(jì)一種基于視覺(jué)定位，慣性導(dǎo)航，電磁感應(yīng)定位的無(wú)軌化，輕量化的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)。該移動(dòng)機(jī)器人能夠完成自主定位、自動(dòng)導(dǎo)航、智能避障、矩陣式運(yùn)動(dòng)軌跡等功能，具有成本低、輕量化、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、倉(cāng)儲(chǔ)、工業(yè)物流生產(chǎn)、服務(wù)類機(jī)器人等多個(gè)平臺(tái)，具有很高的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值及科學(xué)研究?jī)r(jià)值。