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1、 移動機器人的導航 主要內容l 1、移動機器人導航的基本知識l 2、移動機器人導航方式l 3、定位技術 l 4、路徑規(guī)劃 l 5、智能導航算法 l 6、自主飛行機器人導航系統(tǒng)設計l 7、產品應用l 8、發(fā)展趨勢 移動機器人導航l移動機器人的研究起源：20世紀60年代末期。 l導航的概念：移動機器人通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標的自主運動 導航主要解決的問題l（1）我（機器人）現(xiàn)在何處？l（2）我要往何處走？l（3）我要如何到達該處？導航系統(tǒng)中的定位及其跟蹤問題 路徑規(guī)劃問題 研究方向l我們又可以分成以下幾個研究方向： 完全已知環(huán)境：機器人知道所在工作環(huán)境的所有信息

2、，包括目標點的位置，方向，障礙物的位置和方向。 部分已知環(huán)境：機器人知道所在工作環(huán)境中的部分信息，比如知道一部分障礙物的位置和方向，有另外一部分環(huán)境是不知道的。 完全未知環(huán)境：機器人完全不知道所在工作環(huán)境的信息，只知道目標點的方向和位置，其它障礙物的信息是一點都不知道 。 定位、建圖、路徑規(guī)劃 (1) 通過一定的檢測手段獲取移動機器人在空間中的位置、方向以及所處環(huán)境的信息。(2) 用一定的算法對所獲信息進行處理并建立環(huán)境模型。(3) 尋找一條最優(yōu)或近似最優(yōu)的無碰路徑，實現(xiàn)移動機器人安全移動的路徑規(guī)劃。 移動機器人導航方式l移動機器人的導航方式很多,有慣性導航、磁導航、視覺導航、基于傳感器數(shù)據(jù)導

3、航、衛(wèi)星導航等。這些導航方式分別適用于各種不同的環(huán)境,包括室內和室外環(huán)境,結構化環(huán)境與非結構化環(huán)境。 l1)慣性導航慣性導航是一種最基本的導航方式。它利用機器人裝配的光電編碼器和陀螺儀,計算機器人航程,從而推知機器人當前的位置和下一步目的地。 l 2)磁導航（路徑地下埋電纜，流過不同頻率的電流，來作為路徑信息）l 磁導航是目前自動導引車( automated guided vehicle,AGV)的主要導航方式。AGV是移動機器人中的一種,同時,AGV也是自動化物流運輸系統(tǒng)柔性生產組織系統(tǒng)的核心關鍵設備。這種導航方式要在AGV運行路徑上,開出深度為 10mm左右,寬5mm左右的溝槽,在其中埋入

4、導線。在導線上通以530 kHz的交變電流,在導線周圍產生磁場。AGV上左右對稱安裝了2只磁傳感器用于檢測磁場強度,引導車輛沿所埋設的路徑行駛。AGV缺乏柔性,在原有路徑 上放置一個障礙物,該AGV就無法完成簡單的避障動作。 l 3)視覺導航通常,機器人利用裝配的攝像機拍攝周圍環(huán)境的局部圖像,然后,通過圖像處理技 術(如,特征識別、距離估計等)進行機器人定位和規(guī)劃下一步的動作。有研究人員利用Fourier變換處理機器人全方位圖像,并將關鍵位置的圖像經(jīng) Fourier變換所得的數(shù)據(jù)存儲起來作為機器人定位的參考點。以后機器人所拍攝的圖像經(jīng)變換后與之相對照,從而得知機器人當前位置。也有研究人員利用視

5、 覺技術解決計算機器人運動過程中的避碰點,從而實現(xiàn)機器人局部路徑規(guī)劃。 l 4)基于傳感器數(shù)據(jù)導航一般機器人都安裝了一些非視覺傳感器,如,超聲傳感器、紅外傳感器、接觸傳感器等。利用這些傳感器亦可以實現(xiàn)機器人導航。有研究人員將超聲數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)結合,通過事先訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡預測障礙物的可能位置,從而使得機器人能夠 在動態(tài)非結構化環(huán)境中實現(xiàn)自主導航。有研究人員將傳感器數(shù)據(jù)作為模糊推理系統(tǒng)的輸入,模糊系統(tǒng)將產生較優(yōu)(針對某事先設定的代價函數(shù)而言)的機器人行為動 作。 l5）光反射導航定位l典型的光反射導航定位方法主要是利用激光或紅外傳感器來測距。激光和紅外都是利用光反射技術來進行導航定位的。 l激光

6、全局定位系統(tǒng)一般由激光器旋轉機構、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，激光經(jīng)過旋轉鏡面機構向外發(fā)射，當掃描到由后向反 射器構成的合作路標時，反射光經(jīng)光電接收器件處理作為檢測信號，啟動數(shù)據(jù)采集程序讀取旋轉機構的碼盤數(shù)據(jù)（目標的測量角度值），然后通過通訊傳遞到上位機 進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)已知路標的位置和檢測到的信息，就可以計算出傳感器當前在路標坐標系下的位置和方向，從而達到進一步導航定位的目的。 l6)衛(wèi)星導航GPS全球定位系統(tǒng)是以距離作為基本的觀測量,通過對4顆GPS衛(wèi)星同時進行偽距離測量,計算出用戶(接收機)的位置。機器人通過安裝衛(wèi)星信號接收裝置,可以實現(xiàn)自身定位,無論其

7、在室內還是在室外。 l GPS概述1 l GPS即全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System）。簡單地說，這是一個由覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以保證在任意時刻，地球上任意一點都可以同時觀測到4顆衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以采集到該觀測點的經(jīng)緯度和高度，以便實現(xiàn)導航、定位、授時等功能。 l GPS概述2 l 全球定位系統(tǒng)(GPS)是20世紀70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng) 。l GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由三部分組成：空間部分GPS星座；地面控制部分地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設備部分GPS信號接收機。 l GPS構成 ：空間部分l GPS的空間部

8、分是由24 顆工作衛(wèi)星組成,它位于距地表20 200km的上空,均勻分布在6個軌道面上(每個軌道面4 顆) ,軌道傾角為55。 l GPS構成 ：地面控制部分l 地面控制部分由一個主控站,5 個全球監(jiān)測站和3 個地面控制站組成。監(jiān)測站將取得的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測站收集跟蹤數(shù)據(jù),計算出衛(wèi)星的軌道和時鐘參數(shù),然后將結果送到3 個地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運行至上空時,把這些導航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。 l GPS構成 ：用戶設備部分l 用戶設備部分即GPS 信號接收機。GPS 接收機的結構分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內和機外兩種直流電源。設置機內電源

9、的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內電池自動充電。關機后，機內電池為RAM存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。 定位技術 l定位問題是指移動機器人在移動過程中如何確定自己的位置。就像我們找路一樣，必須先知道自己在那里，然后才能規(guī)劃怎么走 l相對定位技術l相對定位技術成本低，可行性較高，對外部環(huán)境無特殊要求，但定位誤差會隨時間的累積而不斷增長，通常采用卡爾曼濾波法加以改進或采用多種傳感器信息融合的方法獲得較為精確的位姿 l絕對定位技術 l絕對定位系統(tǒng)雖不存在累積誤差，但一般比較復雜，成本較高 相對定位技術l (1) 測距法：采用光電編碼器、里程計和航向陀螺儀。計算每個采樣周期車輪移動

10、路程之和。優(yōu)點是良好的短期精度、低廉的價格和較高的采樣速率。(2) 慣性導航法：采用陀螺儀和加速度計。陀螺儀測量回轉速度（角速度），加速度計測量加速度。通過分別對時間進行一次積分和二次積分即可獲得偏移的距離和角度。相對定位技術的缺點：累積誤差會很嚴重，不適合長距離或者長時間的定位，可以與絕對定位技術相結合 絕對定位技術： (1) 全球定位系統(tǒng)（GPS）(2) 陸標定位：自然陸標定位和基于人工陸標（超聲波發(fā)射器、激光反射板等）定位。陸標位置已知。(3) 基于已知地圖的定位：地圖匹配定位技術。根據(jù)自身探測的周圍環(huán)境信息構建局部地圖，然后將局部地圖與已知的全局地圖進行匹配。關鍵在于地圖模型的建立和匹

11、配算法。 機器人導航定位的原理 機器人采用光電編碼器一磁航向傳感器組合定位系統(tǒng)，如圖1所示。兩光電編碼器分別裝在兩后輪軸上，可實時記錄兩輪的行走距離，車體行走過程中的航向由磁航向傳感器測定。車體四周布置一組(12個)超聲波傳感器，用于探測工作區(qū)域內各種障礙T作時，機器人從某一基點B (X。，Y。)出發(fā)，沿規(guī)劃好的軌跡行走。用光電編碼器和磁航向傳感器測出機器人行走時的實時左右輪轉角和航向，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄這些數(shù)據(jù)。由此，可分別計算出車體左右輪在單位時間內運行的距離S LSR 。車體中心運行的距離為 S=(SL + SR )2 公式2推算出機器人在任意時刻的位置和航向，經(jīng)與機器人的理論軌跡比

12、較，得到機器人實際位置與理論軌跡的偏離量，通過調整航向來補償。 路徑規(guī)劃 l移動機器人按照某一性能指標搜索一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)的最優(yōu)或次最優(yōu)的無碰路徑。靜態(tài)路徑規(guī)劃l動態(tài)路徑規(guī)劃 靜態(tài)路徑規(guī)劃l (1) 靜態(tài)路徑規(guī)劃：離線全局路徑規(guī)劃，環(huán)境信息完全已知?？梢晥D法(V-Graph)、柵格法(Grids)等。 l可視圖法的核心思想是將機器人應該到達的點作為頂點，點的連線作為備選的路徑，于是問題就變成了圖搜索問題。由于連線（又叫弧）的選取方法不同，也就有了連接 各個障礙物頂點的直線、用障礙物的切線表示弧和做出障礙物頂點的voronoi圖的邊作為弧的方法，用voronoi方法可以使得路徑盡可能的遠

13、離障礙 物。柵格法是用累積值表明該柵格存在障礙物的可能性。 動態(tài)路徑規(guī)劃 l動態(tài)路徑規(guī)劃：在線局部路徑規(guī)劃，環(huán)境信息部分或者完全未知。 l 人工勢場法(Artificial Potential Field)：目標對被規(guī)劃對象存在吸引力，而障礙物對其有排斥力,引力與斥力的合力作為機器人運動的加速力，從而計算機器人的位置和控制機器人的運動方 向。其缺陷是：存在陷阱區(qū)域、在相近的障礙物群中不能識別路徑、在障礙物前震蕩、在狹窄通道中擺動。模糊邏輯算法( Fuzzy Logic Algorithm)：類似人的避障，經(jīng)驗化的方法。基于傳感器的信息，采用模糊邏輯算法通過查表得到規(guī)劃出的信息，完成局部路徑規(guī)劃

14、。 遺傳算法( Genetic Algorithm)。 地圖映射 l Grid Map（格子地圖）：就是將周圍的環(huán)境用一個個格子表示，如果有障礙物，那就是1，如果沒，那就是0。但是考慮到傳感器信號不是那么精確，現(xiàn)在普遍使用的 是Certainty Grid Map （確定性格子地圖），傳感器信號返回后并不是直接轉換成0，1，而是一個概率值，表示這個gird有障礙物的可能性，如果幾次傳感器的讀數(shù)都表面同一個 grid里面有障礙物，則這個grid有障礙物的可能性就很高。這樣做的好處是可以避免傳感器誤差。格子地圖的好處是比較精確，對機器人周圍的環(huán)境表示比 較完整。但是缺點是太耗內存，比較耗計算資源。

15、尤其是一些處理速度和存儲容量都有限制的微控制器。 lTopology Map （節(jié)點地圖）：就是將相同特征的環(huán)境用一個點來表示。典型的就是中國地圖中，上海，北京都是用點表示的。這種地圖好處是省資源，由于地圖是一副節(jié)點圖，所以可以很快用一些全局算法做在線的全局規(guī)劃。缺點是對環(huán)境細節(jié)描述不夠。 l Hybrid （合成地圖）：綜合了格子地圖和節(jié)點地圖。在局部用格子表示，在全局用節(jié)點表示。是目前廣泛使用的地圖表示法。但是這種表示法有個問題就是如何有效的將格子地圖和節(jié)點地圖融合在一起 智能導航算法 l模糊算法l神經(jīng)網(wǎng)絡算法l模糊神經(jīng)網(wǎng)絡l遺傳算法l進化神經(jīng)網(wǎng)絡 l(1) 模糊邏輯的導航方法 Wong等

16、提出了一種基于模糊邏輯的導航方法，其思想就是定義3個矢量(機器人前進方向矢量、機器人到目標的方向矢量和機器人到障礙物的方向矢量)，根據(jù)3個矢量的位置關系來決定構造模糊規(guī)則庫 l2) 遺傳算法整個方案的原理就是利用GP對數(shù)據(jù)進行預處理，把定量的數(shù)據(jù)信息轉化成關于周圍環(huán)境的定性信息，感知結束后，采用基于delta規(guī)則的模糊規(guī)則進行推理，從而實現(xiàn)自主式移動機器人導航。 l(3) 神經(jīng)網(wǎng)絡技術 構建了一個基于自組織神經(jīng)網(wǎng)絡的混雜系統(tǒng)來實現(xiàn)機器人導航，通過傳感器數(shù)據(jù)訓練自組織神經(jīng)網(wǎng)絡，機器人關于環(huán)境的知識便逐步積累 構造了一個兩層的模糊推理系統(tǒng)來進行機器人導航，此系統(tǒng)接收傳感器數(shù)據(jù)作為輸入，而直接輸出機

17、器人控制信號 l l4、基于行為的導航方式所謂基于行為的導航是把復雜的導航功能分解成很多簡單的功能模塊單元。每個單元有自己的感知器和執(zhí)行器，具有特定的感知動作行為。機器人在不同的情景下，激發(fā)并執(zhí)行某個或某些功能模塊單元。 l (5) 機器學習 近十幾年來，機器學習亦在機器人導航中得到廣泛應用。Millan提出了一種聯(lián)結主義的強化學習方法。機器人通過幾次試探，就能得到有效的導航策略。研究表明，引入強化學習方法后，機器人甚至能對尚未被傳感器探測到的障礙物做出反應，而且對傳感器數(shù)據(jù)的噪聲及外來干擾具有魯棒性。Arleo等深入討論了空間學習方法及其在機器人導航中的應用。 自主飛行機器人導航系統(tǒng)設計 自

18、主飛行機器人導航系統(tǒng)設計l自主飛行機器人系統(tǒng)是以微型直升機模型為載體的復雜系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中導航系統(tǒng)采集各傳感器數(shù)據(jù)得到機器人當前飛行姿態(tài)、空間位置以及相應的監(jiān)控信息,控制模塊依此監(jiān)控信息按照給定策略計算并發(fā)出控制信號,實現(xiàn)飛行機器人的自主控制 l自主飛行機器人系統(tǒng)中，導航系統(tǒng)負責提供自主飛行機器人的飛行狀態(tài)信息，包括：飛行的空間位置、高度和飛行姿態(tài)等。導航系統(tǒng)以ARM 控制器作為運算、控制核心，其硬件組成包括：三個方向傳感器、三個轉角傳感器、羅盤、GPS 信號接收設備、激光高度測量設備等。 l (1) 加速傳感器：將自主飛行機器人的飛行空間用直角坐標系定義，則會得到三個方向。在這三個方向上所設

19、置的傳感器可以測量直升機在該方向上的加速度值。本自主飛行機器人系統(tǒng)共有三個加速度傳感器，數(shù)據(jù)類型是模擬數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中采樣周期為5ms。l (2) 角度旋轉傳感器：在自主飛行機器人飛行空間的直角坐標系中，三個方向每個方向都有一個角度旋轉傳感器。它可以得到各方向上的角加速度，和旋轉角度的數(shù)值。自主飛行機器人有三個同樣的角度旋轉傳感器，負責各坐標軸上的角加速度和旋轉角度的測量。信號類型是A/D 數(shù)據(jù)，采樣周期5ms。 l(3) 羅盤可提供自主飛行機器人繞地坐標系x, y 方向的轉角絕對值，結合角度旋轉傳感器可以測得機器人的飛行方向。羅盤通過串口與ARM 控制器相連。l(4) 激光高度測量設備完成自主

20、飛行機器人離地高度的測量。采用串口與ARM 控制器相連，提供當前飛行高度信息 l (5) GPS 信號接收設備負責接收GPS 信號，并且地面控制設備也有一個GPS 信號接收設備。l同時讀取兩個設備的GPS 信號，以差分信號對的方法以減小GPS 信號的誤差。GPS 接收設l備也是通過串口與ARM 控制器相連。l (6) 主旋翼轉速測量儀，負責機器人主旋翼轉速的測量。當主旋翼轉速恒定時，直升機狀態(tài)l穩(wěn)定，可控性好。采用PFM 信號與ARM 控制器相連。 導航系統(tǒng)功能實現(xiàn)(Implementation of navigation system)l導航系統(tǒng)將硬件所獲數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后轉交飛行控制系統(tǒng)，對機

21、器人當前的飛行狀態(tài)和飛行目標進行調整。導航系統(tǒng)在功能上需要解決的難題有： l（1）某些參數(shù)無法直接測量得到。并不是所有的參數(shù)都可以通過導航系統(tǒng)硬件直接測得的，l對于無法直接測得的參數(shù)需要通過其它參數(shù)間接測得。l（2）所測得的值需要考慮誤差、噪聲、延遲等所帶來的影響。l（3）傳感器、測量設備的傳輸帶寬是一定的，需合理安排采樣周期等參數(shù)。 應用產品這是一款國外網(wǎng)友DIY的名為Blubber Bot的機器人，利用氦氣球漂浮在空中，通過推進器和內置的傳感器自動探測并避開周圍的障礙物。而且他還可以自動探測光源和手機信號，在光源和手機信號周圍“翩翩起舞”，甚至演奏音樂。 用在商場等公共場所一定很吸引眼球

22、海龍2號”是我國自主研制的水下機器人，高約3.8米，長寬均為1.8米左右，能最大提取250公斤的物品，是我國目前僅有的能在3500米水深、海底高溫和復雜地形的特殊環(huán)境下開展海洋調查和作業(yè)的最高精技術裝備，它是國家重大科技專項、目前我國下潛深度最大、功能最強的無人遙控潛水器，簡稱ROV 機器人程序保障系統(tǒng)著名生產商Evolution Robotics公司向市場推出自己的新產品安裝有自動導航系統(tǒng)的機器人ER2。確定現(xiàn)有機器人空間方位的方法是利用超聲波或無線電波定位、激光測距儀等，其費用都高達數(shù)千美元。而Evolution Robotics公司的機器人只需要價 格為50美元的網(wǎng)絡用攝影頭和輪式傳感器

23、，就能有把握地知道自己在哪里和去哪里。ER2可以作住宅警衛(wèi)，也可以作向導，舉辦電視會議，搬運物品，與主人下 象棋或玩其他游戲。 VSLAM (visual simultaneous localization and mapping快速目視定位和 定向)。機器人能自己建立地圖（為此需要帶它散步一次），同時確定“值得觀看的物品”，隨后它便能確定方位。輪式傳感器可幫助ER2記住路線。值得一提的 是，如果在參觀性散步之后在房間里重新布置家具，則機器人會改變原來的地圖。Evolution Robotics公司認為，過一段時間還會有自動巡邏和 搬運重物機器人、“智能”吸塵器與地板打蠟機器人陸續(xù)上市 發(fā)展趨

24、勢l移動機器人技術是傳感技術、控制技術、信息處理技術、機械加工技術、電子技術、計算機技術等多門技術的結合。因此對于移動機器人的發(fā)展也必然建立在這些技術的高速發(fā)展之上的。對于移動機器人導航的研究應該從以下幾個方面著手 l (1) 先進的傳感技術傳感器相當于移動機器人的感覺器官，只有先進的傳感器技術才能有效的采集環(huán)境信息，從而提高導航的效率和準確性。(2) 高效的信息處理技術信息處理主要是指對于傳感器采集進來的信息進行處理，包括語音識別與理解技術，圖像處理與模式識別技術等。由于目前移動機器人的導航大都采用基于視覺或有視覺參與的導航技術，因此計算機視覺和圖像處理技術的水平對于移動機器人導航的發(fā)展將起

25、到至關重要的作用。 l (3) 多傳感器的信息融合技術多傳感器的導航方式是移動機器人導航發(fā)展的必然趨勢。這種多傳感器的信息融合技術充分利用了多個傳感器的資源，通過對這些傳感器及其觀測信息的合理支配和利用，把多個傳感器在空間或時間上的冗余或互補信息根據(jù)一定的準則進行組合，從而獲得對被測對象的一致性解釋或描述，因此它不但能夠提高導航精度，同時也使整個導航系統(tǒng)具有了較高的魯棒性。 l (4) 智能方法的發(fā)展與完善目前在移動機器人導航中，智能方法的應用是一個重要的發(fā)展方向。但目前智能算法在機器人導航中的應用范圍卻受到了很大局限，如神經(jīng)網(wǎng)絡應用往往局限在環(huán)境的建模和認知上，例如機器人地圖構建。同時由于目前在導航過程中主要采用前饋網(wǎng)絡，需要教師信號進行訓練，因此難于實現(xiàn)在線應用;模糊邏輯應用于復雜未知動態(tài)環(huán)境中，模糊規(guī)則很難提取，導航的效果也不理想。因此在移動機器人導航中，智能方法還有極大的發(fā)展空間 參考文獻l蔡自興. 智能機器人技術 2009.6l芮延年 機器人技術及其應用 2008.7 l l 謝謝