移动机器人关键技术
移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)
在機(jī)器人領(lǐng)域所要研究的問題非常多，會(huì)涉及到計(jì)算機(jī)、傳感器、人機(jī)交互、防生學(xué)等多個(gè)學(xué)科，其中環(huán)境感知、自主定位和運(yùn)動(dòng)控制是機(jī)器人技術(shù)的三大重點(diǎn)問題，以下將針對(duì)這三點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)探討。
環(huán)境感知
目前，在機(jī)器人室內(nèi)環(huán)境中，以激光雷達(dá)為主，并借助其他傳感器的移動(dòng)機(jī)器人自主環(huán)境感知技術(shù)已相對(duì)成熟，而在室外應(yīng)用中，由于環(huán)境的多變性及光照變化等影響，環(huán)境感知的任務(wù)相對(duì)復(fù)雜的多，對(duì)實(shí)時(shí)性要求更高，使得多傳感器融合成為機(jī)器人環(huán)境感知面臨的重大技術(shù)任務(wù)。
利用單一傳感器進(jìn)行環(huán)境感知大多都有其難以克服的弱點(diǎn)，但將多傳感器有效融合，通過對(duì)不同傳感器的信息冗余、互補(bǔ)，幾乎能使機(jī)器人覆蓋所有的空間檢測(cè)，全方位提升機(jī)器人的感知能力，因此利用激光雷達(dá)傳感器，結(jié)合超聲波、深度攝像頭、防跌落等傳感器獲取距離信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境的感知成為各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。
本文主要文獻(xiàn)參考鏈接
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使用多傳感器構(gòu)
成環(huán)境感知技術(shù)可帶來多源信息的同步、匹配和通信等問題，需要研究解決多傳感器跨模態(tài)跨尺度信息配準(zhǔn)和融合的方法及技術(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用中，并不是所使用的傳感器種類越多越好。針對(duì)不同環(huán)境中機(jī)器人的具體應(yīng)用，需要考慮各傳感器數(shù)據(jù)的有效性、計(jì)算的實(shí)時(shí)性。
自主定位
移動(dòng)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自主行走，定位也是需要掌握的核心技術(shù)之一，目前GPS在全局定位上已能提供較高精度，但GPS具有一定的局限性，在室內(nèi)環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)GPS信號(hào)弱等情況，容易導(dǎo)致位置的丟失。
近年來，SLAM技術(shù)發(fā)展迅速，提高了移動(dòng)機(jī)器人的定位及地圖創(chuàng)建能力，SLAM 是同步定位與地圖構(gòu)建 (Simultaneous Localization And Mapping) 的縮寫，最早是由 Hugh Durrant-Whyte 和 John J.Leonard 在1988年提出的。SLAM與其說是一個(gè)算法不如說一個(gè)概念更為貼切，定義為解決“機(jī)器人從未知環(huán)境的未知地點(diǎn)出發(fā)，在運(yùn)動(dòng)過程中通過重復(fù)觀測(cè)到的地圖特征（比如，墻角，柱子等）定位自身位置和姿態(tài)，再根據(jù)自身位置增量式的構(gòu)建地圖，從而達(dá)到同時(shí)定位和地圖構(gòu)建的目”的問題方法的統(tǒng)稱。
路徑規(guī)劃
路徑規(guī)劃技術(shù)也是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則（如工作代價(jià)最小、行走路線最短、行走時(shí)間最短等），在機(jī)器人工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)、可以避開障礙物的最優(yōu)路徑。
根據(jù)對(duì)環(huán)境信息的掌握程度不同，機(jī)器人路徑規(guī)劃可分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。
全局路徑規(guī)劃是在已知的環(huán)境中，給機(jī)器人規(guī)劃一條路徑，路徑規(guī)劃的精度取決于環(huán)境獲取的準(zhǔn)確度，全局路徑規(guī)劃可以找到最優(yōu)解，但是需要預(yù)先知道環(huán)境的準(zhǔn)確信息，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化，如出現(xiàn)未知障礙物時(shí)，該方法就無能為力了。一種事前規(guī)劃，因此對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算能力要求不高，雖然規(guī)劃結(jié)果是全局的、較優(yōu)的，但是對(duì)環(huán)境模型的錯(cuò)誤及噪聲魯棒性差。
局部路徑規(guī)劃則環(huán)境信息完全未知或有部分可知，側(cè)重于考慮機(jī)器人當(dāng)前的局部環(huán)境信息，讓機(jī)器人具有良好的避障能力，通過傳感器對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，以獲取障礙物的位置和幾何性質(zhì)等信息，這種規(guī)劃需要搜集環(huán)境數(shù)據(jù)，并且對(duì)該環(huán)境模型的動(dòng)態(tài)更新能夠隨時(shí)進(jìn)行校正，局部規(guī)劃方法將對(duì)環(huán)境的建模與搜索融為一體，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有高速的信息處理能力和計(jì)算能力，對(duì)環(huán)境誤差和噪聲有較高的魯棒性，能對(duì)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和校正，但是由于缺乏全局環(huán)境信息，所以規(guī)劃結(jié)果有可能不是最優(yōu)的，甚至可能找不到正確路徑或完整路徑。
全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，很多適用于全局路徑規(guī)劃的方法經(jīng)過改進(jìn)也可以用于局部路徑規(guī)劃，適用于局部路徑規(guī)劃的方法同樣經(jīng)過改進(jìn)后也可適用于全局路徑規(guī)劃。兩者協(xié)同工作，機(jī)器人可更好的規(guī)劃從起始點(diǎn)到終點(diǎn)的行走路徑。
感知、定位、路徑規(guī)劃技術(shù)現(xiàn)狀如何？
解決機(jī)器人自主行走難題，國(guó)內(nèi)針對(duì)環(huán)境感知、自主定位及路徑規(guī)劃等技術(shù)進(jìn)行研究的企業(yè)不在少數(shù)，國(guó)內(nèi)思嵐科技作為機(jī)器人定位導(dǎo)航技術(shù)之首，在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主行走中已有較為成熟的產(chǎn)品，例如可幫助企業(yè)降低研發(fā)成本的Apollo，Apollo機(jī)器人底盤搭載了激光測(cè)距傳感器、超聲波傳感器、防跌落等傳感器。在底盤之上配置深度攝像頭傳感器。同時(shí)配合自主研發(fā)的SLAMWARE自主導(dǎo)航定位系統(tǒng)，讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主建圖定位及導(dǎo)航功能。
當(dāng)Apollo處于未知環(huán)境中，無需對(duì)環(huán)境進(jìn)行修改，利用SharpEdgeTM精細(xì)化構(gòu)圖技術(shù)，構(gòu)建高精度、厘米級(jí)別地圖，具備超高分辨率，不存在誤差累加。同時(shí)利用D*動(dòng)態(tài)即時(shí)路徑規(guī)劃算法尋找路徑并移動(dòng)到指定地點(diǎn)，無需二次優(yōu)化修飾，可直接滿足人們的使用預(yù)期。
除此之外，基于純軟件方式，無需額外進(jìn)行輔助鋪設(shè)，可對(duì)Apollo進(jìn)行預(yù)定路線設(shè)置，或通過設(shè)置虛擬墻及虛擬軌道阻止Apollo進(jìn)入某個(gè)工作禁區(qū)。
在工作過程中當(dāng)Apollo出現(xiàn)電量過低的情況時(shí)，可支持可外部調(diào)度的預(yù)約式充電自主導(dǎo)航定位，自動(dòng)返回充電塢充電。
另外，Apollo的擴(kuò)展接口還集成了網(wǎng)口，供電接口和各種控制接口，以便用戶快速進(jìn)行開發(fā)擴(kuò)展。Apollo可通過有線網(wǎng)絡(luò)或WIFI與外部通信，本身自帶的電池可為自身與外接的擴(kuò)展模塊供電，用戶可通過各種控制接口對(duì)整個(gè)Apollo及上層擴(kuò)展模塊進(jìn)行控制。
總之，近年來各國(guó)政府都非常重視機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，并投入了大量的資源激發(fā)機(jī)器人企業(yè)不斷創(chuàng)新、開拓進(jìn)取，相信未來，機(jī)器人也將成為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾粏T，引領(lǐng)人們走向更便捷的時(shí)代！
移動(dòng)機(jī)器人核心技術(shù)“搶灘登陸戰(zhàn)”
今年的《政府工作報(bào)告》提出，啟動(dòng)一批產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)再造工程項(xiàng)目，促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，大力推進(jìn)智能制造，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)集群，實(shí)施國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集群工程。
但智能制造離不開機(jī)器人這一重要的智能設(shè)備，然而目前工業(yè)機(jī)器人行業(yè)由于核心技術(shù)不足，自主品牌工業(yè)機(jī)器人以組裝和代加工為主，不少機(jī)器人還處于行業(yè)的中低端。基于這一背景，推動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，勢(shì)在必行。
移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人行業(yè)的重要組成，同樣亟待突破核心技術(shù)的瓶頸，藍(lán)芯科技正是堅(jiān)持通過自主研發(fā)、打破機(jī)器人核心技術(shù)瓶頸的移動(dòng)機(jī)器人企業(yè)。
核心技術(shù)“搶灘登陸戰(zhàn)”
近年來，移動(dòng)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展迅速。一方面，AMR在技術(shù)和產(chǎn)品層面，迭代加速，新玩家、新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，如復(fù)合機(jī)器人、料箱機(jī)器人、上下料機(jī)器人等新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，并延續(xù)高熱度；另一方面，AMR的市場(chǎng)化落地進(jìn)程加快，行業(yè)滲透率持續(xù)提升，從汽車、3C、半導(dǎo)體、新能源等行業(yè)向其他工業(yè)領(lǐng)域延伸。
但迅速發(fā)展下，移動(dòng)機(jī)器人的核心技術(shù)真的突破了嗎？
據(jù)了解，使用磁條、二維碼等導(dǎo)航方式的AGV前期實(shí)施工程量巨大、路線更改缺乏靈活性；使用2D激光導(dǎo)航的AMR雖然相對(duì)于磁條、二維碼機(jī)器人而言，部署便捷、柔性靈活，但也有痛點(diǎn)，如現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不斷變化影響機(jī)器人定位，部分應(yīng)用場(chǎng)景工位對(duì)接精度要求高且工位形態(tài)多樣化，機(jī)器人行駛過程中的各種安全問題等等。
在藍(lán)芯科技CEO高勇看來，不論是磁條、二維碼還是激光導(dǎo)航，本質(zhì)上依然是弱感知導(dǎo)航技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，穩(wěn)定性、安全性、智能性是弱感知機(jī)器人的“硬傷”，如何解除移動(dòng)機(jī)器人的“硬傷”是整個(gè)行業(yè)亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)。
由此可得，要突破“硬傷”，移動(dòng)機(jī)器人的感知能力需要由弱走向強(qiáng)。而讓移動(dòng)機(jī)器人擁有強(qiáng)感知能力的其中一個(gè)技術(shù)方向是以視覺為移動(dòng)機(jī)器人賦能，這也正是藍(lán)芯科技一直以來堅(jiān)定不移的大方向。
以視覺賦予移動(dòng)機(jī)器人強(qiáng)感知能力擁有兩大優(yōu)勢(shì)，其一，視覺導(dǎo)航信息獲取能力強(qiáng)大。視覺導(dǎo)航由于能從三維環(huán)境中采集豐富的信息，因此能夠適應(yīng)客戶在常規(guī)使用需求中的復(fù)雜場(chǎng)景。其二，視覺導(dǎo)航模塊具有系統(tǒng)拓展性。隨著通信設(shè)備/處理器等周邊配套設(shè)施的不斷完善，視覺導(dǎo)航模塊正飛速進(jìn)步，視覺導(dǎo)航與計(jì)算機(jī)連接可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的調(diào)度任務(wù)，而視覺導(dǎo)航技術(shù)與5G及云端系統(tǒng)的融合也將更進(jìn)一步。
深度視覺技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，但門檻較高，其不僅要求企業(yè)具備移動(dòng)機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)，還要求企業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)擁有較高的儲(chǔ)備。此外，選擇深度視覺技術(shù)路線的企業(yè)還需要應(yīng)對(duì)大量的算法和高要求的算力。
藍(lán)芯科技憑借在深度視覺領(lǐng)域近20年的技術(shù)積累，以及視覺、整機(jī)完整的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，已為企業(yè)在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的核心技術(shù)突破提供了充足條件，在移動(dòng)機(jī)器人核心技術(shù)的“突圍賽”上取得了一定成果。
藍(lán)芯科技推出的LX-MRDVS（移動(dòng)機(jī)器人深度視覺系統(tǒng)）涵蓋藍(lán)芯自研的3D視覺傳感器和視覺感知算法，搭載LX-MRDVS的移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)品（Visual Mobile Robot，VMR）可實(shí)現(xiàn)視覺定位導(dǎo)航、視覺對(duì)接、視覺避障、視覺抓取等功能，讓移動(dòng)機(jī)器人擁有強(qiáng)感知能力。
高勇表示：“核心技術(shù)和零部件是工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的底層技術(shù)，底層技術(shù)決定上層能力。以深度視覺賦能移動(dòng)機(jī)器人強(qiáng)視覺感知能力，使藍(lán)芯的整機(jī)產(chǎn)品突破傳統(tǒng)AGV或AMR的應(yīng)用邊界，為更多制造業(yè)客戶和細(xì)分領(lǐng)域提供智能化升級(jí)服務(wù)。”
落地場(chǎng)景的突破
2021年，藍(lán)芯科技的LX-MRDVS在自研自產(chǎn)的整機(jī)產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)全覆蓋，通過深度視覺感知技術(shù)賦能，有效提高了整機(jī)產(chǎn)品的安全性、穩(wěn)定性和智能性，使機(jī)器人進(jìn)一步突破以往的應(yīng)用邊界，滿足更復(fù)雜的場(chǎng)景應(yīng)用需求。
以藍(lán)芯科技的無人叉車產(chǎn)品為例，該款產(chǎn)品是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的純視覺定位導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人，通過車載3D視覺傳感器采集三維環(huán)境信息，隨后憑借AI算法從點(diǎn)云圖中獲得稠密的深度數(shù)據(jù)，可以大幅優(yōu)化移動(dòng)機(jī)器人的定位精度，提高移動(dòng)機(jī)器人面對(duì)復(fù)雜環(huán)境的魯棒性。
在終端行業(yè)的認(rèn)可度上，截至目前，藍(lán)芯科技的VMR產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于3C、新能源、化工、包裝等諸多行業(yè)，擁有眾多落地案例，服務(wù)華為、中興、美的、東芝、富士康、海力士、商飛等國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)，并屢獲市場(chǎng)好評(píng)。
以藍(lán)芯科技為某大型消費(fèi)電子企業(yè)打造的智能物流產(chǎn)線為例，在該產(chǎn)線中，環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人定位導(dǎo)航是一大考驗(yàn)，尤其在成品庫(kù)，貨物出入庫(kù)頻繁，依靠激光雷達(dá)進(jìn)行導(dǎo)航易丟失定位，同時(shí)存在較大的視覺盲區(qū)。
該企業(yè)通過引入藍(lán)芯科技的VMR產(chǎn)品，解決了場(chǎng)景變化導(dǎo)致的定位丟失難題且彌補(bǔ)激光導(dǎo)航的避障缺陷，最終實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)線的全自動(dòng)物流。
再以藍(lán)芯科技為某電氣企業(yè)打造的智能物流方案為例。通過應(yīng)用機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)以及基于深度視覺的智能搬運(yùn)機(jī)器人、無人叉車產(chǎn)品，讓該企業(yè)近2萬(wàn)平方米的生產(chǎn)車間實(shí)現(xiàn)了高柔性的物流。
在深度視覺技術(shù)的賦能下，移動(dòng)機(jī)器人將更智能，不再局限于簡(jiǎn)單的搬運(yùn)工作。比如藍(lán)芯科技新推出的印刷機(jī)上下料機(jī)器人既能搬運(yùn)，更可以通過視覺感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)卷料和印刷機(jī)的全自動(dòng)對(duì)接，誤差≤5mm。除了印刷機(jī)上下料機(jī)器人，藍(lán)芯科技面向更多細(xì)分領(lǐng)域的專機(jī)產(chǎn)品已進(jìn)入測(cè)試階段，將陸續(xù)發(fā)布。
高勇表示：“落地場(chǎng)景突破的‘里子’其實(shí)是機(jī)器人核心技術(shù)的突破。AGV落地應(yīng)用幾十年，產(chǎn)業(yè)發(fā)展已現(xiàn)同質(zhì)化，‘你有我有大家有’的技術(shù)和產(chǎn)品在市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，更不用談落地場(chǎng)景突破。只有技術(shù)夠硬，才能在市場(chǎng)上打出不一樣的“拳”，形成更寬、更深的‘護(hù)城河’。”
打破核心技術(shù)“壁壘”后的下一步
日本工業(yè)自動(dòng)化巨頭、世界機(jī)器視覺龍頭企業(yè)基恩士，產(chǎn)品銷售遍布全球，但在疫情橫掃之下，業(yè)績(jī)卻逆勢(shì)上揚(yáng)，2021年基恩士利潤(rùn)再創(chuàng)新高，同時(shí)利潤(rùn)率超50%，創(chuàng)始人滝崎武光以身價(jià)382億美元登頂成為日本首富。
值得注意的是，基恩士本身并不生產(chǎn)產(chǎn)品，而是設(shè)計(jì)產(chǎn)品。基恩士創(chuàng)業(yè)47年來專攻黑科技，產(chǎn)品的價(jià)格通常是同行的5倍以上，銷量遙遙領(lǐng)先。能解決別人解決不了的問題，這是企業(yè)科技實(shí)力的體現(xiàn)；掌握核心技術(shù)，才能提高品牌的附加值。
“基恩士這種‘輕資產(chǎn)’運(yùn)營(yíng)模式非常值得機(jī)器人企業(yè)學(xué)習(xí)，企業(yè)需要思考和定位自己的核心業(yè)務(wù)是什么，緊緊抓住核心業(yè)務(wù)，做高端制造業(yè)才是機(jī)器人企業(yè)的出路。”高勇表示，“LX-MRDVS是藍(lán)芯在移動(dòng)機(jī)器人深度視覺感知技術(shù)領(lǐng)域邁出的第一步，藍(lán)芯科技的最終目標(biāo)是向人類的視覺感知和智能水平靠攏，讓機(jī)器人能適應(yīng)更復(fù)雜多樣的工業(yè)環(huán)境，承擔(dān)更多工作。”
自主移動(dòng)機(jī)器人四大基礎(chǔ)技術(shù)
移動(dòng)機(jī)器人的技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，天上飛的，水里游的，地上跑的，都可以應(yīng)用移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)。如工業(yè)機(jī)器人里的搬運(yùn)機(jī)器人；商用機(jī)器人分類里的無人車、無人機(jī)、送餐機(jī)器人、導(dǎo)覽機(jī)器人；又或是消費(fèi)類機(jī)器人中普及率很高的掃地機(jī)器人。
移動(dòng)機(jī)器人的核心技術(shù)緊緊圍繞著“感知”、“決策”、“執(zhí)行”這三方面。
關(guān)鍵技術(shù)一：
定位與建圖（slam），SLAM是Simultaneous Localization and Mapping的縮寫，意為“同時(shí)定位與建圖”。指運(yùn)動(dòng)物體根據(jù)傳感器的信息，一邊計(jì)算自身位置，一邊構(gòu)建環(huán)境地圖的過程。目前，SLAM的應(yīng)用領(lǐng)域主要有機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。用途包括傳感器自身的定位，以及后續(xù)的路徑規(guī)劃、場(chǎng)景理解。
隨著傳感器種類和安裝方式的不同，SLAM的實(shí)現(xiàn)方式和難度會(huì)有很大差異。按傳感器來分，SLAM主要分為激光、視覺兩大類。其中，激光SLAM研究較早，理論和工程均比較成熟。視覺方案目前有少數(shù)廠商在實(shí)際產(chǎn)品中應(yīng)用。
SLAM研究自1988年提出以來，已經(jīng)過了近三十年。早期SLAM研究側(cè)重于使用濾波器理論，最小化運(yùn)動(dòng)體位姿和地圖的路標(biāo)點(diǎn)的噪聲。21世紀(jì)之后，學(xué)者們開始借鑒
SfM(Structure from Motion)中的方式，以優(yōu)化理論為基礎(chǔ)求解SLAM問題。這種方式取得了一定的成就，并且在視覺SLAM領(lǐng)域中取得了主導(dǎo)地位。
激光傳感器：激光傳感器可以直接獲得相對(duì)于環(huán)境的直接距離信息，從而實(shí)現(xiàn)直接相對(duì)定位，對(duì)于激光傳感器的絕對(duì)定位及軌跡優(yōu)化可以在相對(duì)定位的基礎(chǔ)上進(jìn)行。
視覺傳感器：視覺傳感器很難直接獲得相對(duì)于環(huán)境的直接距離信息，而必須通過兩幀或多幀圖像來估計(jì)自身的位姿變化，再通過累積位姿變化計(jì)算當(dāng)前位置。這種方法更類似于直接用里程計(jì)進(jìn)行定位，即視覺里程計(jì)。里程計(jì)的測(cè)量積分后才相當(dāng)于激光傳感器直接獲得的定位信息，這就是圖優(yōu)化SLAM框架中的前端。而后端對(duì)定位和位姿軌跡的優(yōu)化本質(zhì)上與激光傳感器的優(yōu)化相同，都基于最優(yōu)估計(jì)的理論框架進(jìn)行。
關(guān)鍵技術(shù)二：
規(guī)劃。規(guī)劃包括路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。規(guī)劃相關(guān)的技術(shù)發(fā)展較為成熟。
移動(dòng)機(jī)器人常用的路徑規(guī)劃算法有A*、D*等；常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃有PID、VFF、DWA、PTG等。
關(guān)鍵技術(shù)三：控制。
關(guān)鍵技術(shù)四：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)。
移動(dòng)機(jī)器人5種常用定位技術(shù)
移動(dòng)機(jī)器人目前已經(jīng)遍布軍事、工業(yè)、民用等各大領(lǐng)域，并還在不斷的發(fā)展中，目前移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)已獲得了可喜的進(jìn)展，研究成果令人鼓舞，但對(duì)于實(shí)際中的應(yīng)用需求還需要長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，相信隨著傳感技術(shù)、智能技術(shù)和計(jì)算技術(shù)等的不斷提高，智能移動(dòng)機(jī)器人一定能夠在生產(chǎn)和生活中扮演人的角色。那么移動(dòng)機(jī)器人定位技術(shù)主要涉及到哪些呢？經(jīng)總結(jié)目前移動(dòng)機(jī)器人主要有這5大定位技術(shù)。
移動(dòng)機(jī)器人超聲波導(dǎo)航定位技術(shù)
超聲波導(dǎo)航定位的工作原理也與激光和紅外類似，通常是由超聲波傳感器的發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波，超聲波在介質(zhì)中遇到障礙物而返回到接收裝置。
通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號(hào)，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收時(shí)間差及傳播速度，計(jì)算出傳播距離S，就能得到障礙物到機(jī)器人的距離，即有公式：S＝Tv／2式中，T—超聲波發(fā)射和接收的時(shí)間差；v—超聲波在介質(zhì)中傳播的波速。
當(dāng)然，也有不少移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航定位技術(shù)中用到的是分開的發(fā)射和接收裝置，在環(huán)境地圖中布置多個(gè)接收裝置，而在移動(dòng)機(jī)器人上安裝發(fā)射探頭。
在移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航定位中，因?yàn)槌暡▊鞲衅髯陨淼娜毕?#xff0c;如：鏡面反射、有限的波束角等，給充分獲得周邊環(huán)境信息造成了困難，因此，通常采用多傳感器組成的超聲波傳感系統(tǒng)，建立相應(yīng)的環(huán)境模型，通過串行通信把傳感器采集到的信息傳遞給移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再根據(jù)采集的信號(hào)和建立的數(shù)學(xué)模型采取一定的算法進(jìn)行對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)處理便可以得到機(jī)器人的位置環(huán)境信息。
由于超聲波傳感器具有成本低廉、采集信息速率快、距離分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來被廣泛地應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航定位中。而且它采集環(huán)境信息時(shí)不需要復(fù)雜的圖像配備技術(shù)，因此測(cè)距速度快、實(shí)時(shí)性好。
同時(shí)，超聲波傳感器也不易受到如天氣條件、環(huán)境光照及障礙物陰影、表面粗糙度等外界環(huán)境條件的影響。超聲波進(jìn)行導(dǎo)航定位已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各種移動(dòng)機(jī)器人的感知系統(tǒng)中。
移動(dòng)機(jī)器人視覺導(dǎo)航定位技術(shù)
在視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的是基于局部視覺的在機(jī)器人中安裝車載攝像機(jī)的導(dǎo)航方式。在這種導(dǎo)航方式中，控制設(shè)備和傳感裝置裝載在機(jī)器人車體上，圖像識(shí)別、路徑規(guī)劃等高層決策都由車載控制計(jì)算機(jī)完成。
視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要包括：攝像機(jī)（或CCD圖像傳感器）、視頻信號(hào)數(shù)字化設(shè)備、基于DSP的快速信號(hào)處理器、計(jì)算機(jī)及其外設(shè)等。現(xiàn)在有很多機(jī)器人系統(tǒng)采用CCD圖像傳感器，基本元件是一行硅成像元素，在一個(gè)襯底上配置光敏元件和電荷轉(zhuǎn)移器件，通過電荷的依次轉(zhuǎn)移，將多個(gè)象素的視頻信號(hào)分時(shí)、順序地取出來，如面陣CCD傳感器采集的圖像的分辨率可以從32×32到1024×1024像素等。
視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)單說來就是對(duì)機(jī)器人周邊的環(huán)境進(jìn)行光學(xué)處理，先用攝像頭進(jìn)行圖像信息采集，將采集的信息進(jìn)行壓縮，然后反饋到一個(gè)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法構(gòu)成的學(xué)習(xí)子系統(tǒng)，再由學(xué)習(xí)子系統(tǒng)將采集到的圖像信息和機(jī)器人的實(shí)際位置聯(lián)系起來，完成機(jī)器人的自主導(dǎo)航定位功能。
GPS全球定位系統(tǒng)
如今，在智能機(jī)器人的導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用中，一般采用偽距差分動(dòng)態(tài)定位法，用基準(zhǔn)接收機(jī)和動(dòng)態(tài)接收機(jī)共同觀測(cè)4顆GPS衛(wèi)星，按照一定的算法即可求出某時(shí)某刻機(jī)器人的三維位置坐標(biāo)。差分動(dòng)態(tài)定位消除了星鐘誤差，對(duì)于在距離基準(zhǔn)站1000km的用戶，可以消除星鐘誤差和對(duì)流層引起的誤差，因而可以顯著提高動(dòng)態(tài)定位精度。
但是因?yàn)樵谝苿?dòng)導(dǎo)航中，移動(dòng)GPS接收機(jī)定位精度受到衛(wèi)星信號(hào)狀況和道路環(huán)境的影響，同時(shí)還受到時(shí)鐘誤差、傳播誤差、接收機(jī)噪聲等諸多因素的影響，因此，單純利用GPS導(dǎo)航存在定位精度比較低、可靠性不高的問題，所以在機(jī)器人的導(dǎo)航應(yīng)用中通常還輔以磁羅盤、光碼盤和GPS的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航。另外，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)也不適應(yīng)用在室內(nèi)或者水下機(jī)器人的導(dǎo)航中以及對(duì)于位置精度要求較高的機(jī)器人系統(tǒng)。
移動(dòng)機(jī)器人光反射導(dǎo)航定位技術(shù)
典型的光反射導(dǎo)航定位方法主要是利用激光或紅外傳感器來測(cè)距。激光和紅外都是利用光反射技術(shù)來進(jìn)行導(dǎo)航定位的。
激光全局定位系統(tǒng)一般由激光器旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、反射鏡、光電接收裝置和數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置等部分組成。
工作時(shí)，激光經(jīng)過旋轉(zhuǎn)鏡面機(jī)構(gòu)向外發(fā)射，當(dāng)掃描到由后向反射器構(gòu)成的合作路標(biāo)時(shí)，反射光經(jīng)光電接收器件處理作為檢測(cè)信號(hào)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序讀取旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的碼盤數(shù)據(jù)（目標(biāo)的測(cè)量角度值），然后通過通訊傳遞到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)已知路標(biāo)的位置和檢測(cè)到的信息，就可以計(jì)算出傳感器當(dāng)前在路標(biāo)坐標(biāo)系下的位置和方向，從而達(dá)到進(jìn)一步導(dǎo)航定位的目的。
激光測(cè)距具有光束窄、平行性好、散射小、測(cè)距方向分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它也受環(huán)境因素干擾比較大，因此采用激光測(cè)距時(shí)怎樣對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行去噪等也是一個(gè)比較大的難題，另外激光測(cè)距也存在盲區(qū)，所以光靠激光進(jìn)行導(dǎo)航定位實(shí)現(xiàn)起來比較困難，在工業(yè)應(yīng)用中，一般還是在特定范圍內(nèi)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，如檢測(cè)管道裂縫等場(chǎng)合應(yīng)用較多。
紅外傳感技術(shù)經(jīng)常被用在多關(guān)節(jié)機(jī)器人避障系統(tǒng)中，用來構(gòu)成大面積機(jī)器人“敏感皮膚”，覆蓋在機(jī)器人手臂表面，可以檢測(cè)機(jī)器人手臂運(yùn)行過程中遇到的各種物體。
典型的紅外傳感器包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管。由紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)，紅外光敏管接收目標(biāo)物反射的紅外調(diào)制信號(hào)，環(huán)境紅外光干擾的消除由信號(hào)調(diào)制和專用紅外濾光片保證。設(shè)輸出信號(hào)Vo代表反射光強(qiáng)度的電壓輸出，則Vo是探頭至工件間距離的函數(shù)：Vo＝f（x，p）式中，p—工件反射系數(shù)。p與目標(biāo)物表面顏色、粗糙度有關(guān)。x—探頭至工件間距離。
當(dāng)工件為p值一致的同類目標(biāo)物時(shí)，x和Vo一一對(duì)應(yīng)。x可通過對(duì)各種目標(biāo)物的接近測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到。這樣通過紅外傳感器就可以測(cè)出機(jī)器人距離目標(biāo)物體的位置，進(jìn)而通過其他的信息處理方法也就可以對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航定位。
雖然紅外傳感定位同樣具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)樗鼈兘嵌确直媛矢?#xff0c;而距離分辨率低，因此在移動(dòng)機(jī)器人中，常用作接近覺傳感器，探測(cè)臨近或突發(fā)運(yùn)動(dòng)障礙，便于機(jī)器人緊急停障。
目前主流的機(jī)器人定位技術(shù)是SLAM技術(shù)
（Simultaneous Localization and Mapping即時(shí)定位與地圖構(gòu)建）
行業(yè)領(lǐng)先的服務(wù)機(jī)器人企業(yè)，大多都采用了SLAM技術(shù)。到底什么是SLAM技術(shù)呢？簡(jiǎn)單來說，SLAM技術(shù)是指機(jī)器人在未知環(huán)境中，完成定位、建圖、路徑規(guī)劃的整套流程。
SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，即時(shí)定位與地圖構(gòu)建），自1988年被提出以來，主要用于研究機(jī)器人移動(dòng)的智能化。對(duì)于完全未知的室內(nèi)環(huán)境，配備激光雷達(dá)等核心傳感器后，SLAM技術(shù)可以幫助機(jī)器人構(gòu)建室內(nèi)環(huán)境地圖，助力機(jī)器人的自主行走。
SLAM問題可以描述為：機(jī)器人在未知環(huán)境中從一個(gè)未知位置開始移動(dòng)，在移動(dòng)過程中根據(jù)位置估計(jì)和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行自身定位，同時(shí)建造增量式地圖。
SLAM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑主要包括VSLAM、Wifi－SLAM與Lidar SLAM。
1、VSLAM（視覺SLAM）
指在室內(nèi)環(huán)境下，用攝像機(jī)、Kinect等深度相機(jī)來做導(dǎo)航和探索。其工作原理就是對(duì)機(jī)器人周邊的環(huán)境進(jìn)行光學(xué)處理，先用攝像頭進(jìn)行圖像信息采集，將采集的信息進(jìn)行壓縮，然后反饋到一個(gè)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法構(gòu)成的學(xué)習(xí)子系統(tǒng)，再由學(xué)習(xí)子系統(tǒng)將采集到的圖像信息和機(jī)器人的實(shí)際位置聯(lián)系起來，完成機(jī)器人的自主導(dǎo)航定位功能。
但是，室內(nèi)的VSLAM仍處于研究階段，遠(yuǎn)未到實(shí)際應(yīng)用的程度。一方面，計(jì)算量太大，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的性能要求較高；另一方面，VSLAM生成的地圖（多數(shù)是點(diǎn)云）還不能用來做機(jī)器人的路徑規(guī)劃，需要進(jìn)一步探索和研究。
2、Wifi－SLAM指利用智能手機(jī)中的多種傳感設(shè)備進(jìn)行定位，包括Wifi、GPS、陀螺儀、加 速計(jì)和磁力計(jì)，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)和模式識(shí)別等算法將獲得的數(shù)據(jù)繪制出準(zhǔn)確的室內(nèi)地圖。該技術(shù)的提供商已于2013年被蘋果公司收購(gòu)，蘋果公司是否已經(jīng)把 Wifi－SLAM 的科技用到iPhone上，使所有 iPhone 用戶相當(dāng)于攜帶了一個(gè)繪圖小機(jī)器人，這一切暫未可知。毋庸置疑的是，更精準(zhǔn)的定位不僅有利于地圖，它會(huì)讓所有依賴地理位置的應(yīng)用（LBS） 更加精準(zhǔn)。
3、Lidar SLAM指利用激光雷達(dá)作為傳感器，獲取地圖數(shù)據(jù)，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)同步定位與地圖構(gòu)建。就技術(shù)本身而言，經(jīng)過多年驗(yàn)證，已相當(dāng)成熟，但Lidar成本昂貴這一瓶頸問題亟待解決。
Google無人駕駛汽車正是采用該項(xiàng)技術(shù)，車頂安裝的激光雷達(dá)來自美國(guó) Velodyne公司，售價(jià)高達(dá)7萬(wàn)美元以上。這款激光雷達(dá)可以在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)向周圍發(fā)射64束激光，激光碰到周圍物體并返回，便可計(jì)算出車體與周邊物體的距離。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)再根據(jù)這些數(shù)據(jù)描繪出精細(xì)的3D地形圖，然后與高分辨率地圖相結(jié)合，生成不同的數(shù)據(jù)模型供車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用。激光雷達(dá)占去了整車成本的一半，這可能也是 Google 無人車遲遲無法量產(chǎn)的原因之一。
激光雷達(dá)具有指向性強(qiáng)的特點(diǎn)，使得導(dǎo)航的精度得到有效保障，能很好地適應(yīng)室內(nèi)環(huán)境。但是，Lidar SLAM卻并未在機(jī)器人室內(nèi)導(dǎo)航領(lǐng)域有出色表現(xiàn)，原因就在于激光雷達(dá)的價(jià)格過于昂貴。
參考鏈接
https://mp.weixin.qq.com/s/brmPTFKPbyIW1tvYd6lp1Q
https://mp.weixin.qq.com/s/L6ccbSIpx4t0AVoU8TQjjQ
https://mp.weixin.qq.com/s/45-30I7NVrnch-t5X85TEg
https://mp.weixin.qq.com/s/sRCNj1EXZY3zGdxqKkscSg
總結(jié)
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