自主移动机器人常用的导航定位技术及原理

2018-01-31 12:50:47

自主移动机器人常用的导航定位技术及原理

随着经济的发展和科技的进步,智能机器人早就不是什么新鲜事物。而室内服务机器人作为新兴发展起来的产业,逐渐成为目前行业的风口浪尖,从最早的扫地机器人开始,家庭陪伴机器人、送餐机器人等陆续进入公众视线。

自主移动机器人常用的导航定位技术及原理

不管什么类型的机器人,只要自主移动,就需要在家庭或其他环境中进行导航定位。假如用金字塔来表示机器人技术,那么定位导航作为最底层技术,正是构建整个机器人的核心关键。

自主移动机器人常用的导航定位技术及原理

如何实现移动机器人在不确定环境中自主定位导航一直都是机器人研究的一大核心课题,行业内对其进行了多年的研究。自主导航作为一项核心技术,是赋予机器人感知和行动能力的关键。下面再为大家盘点一下自主移动机器人常用的导航定位方法。

自主移动机器人常用的导航定位技术及原理

一、视觉导航定位

自主移动机器人常用的导航定位技术及原理

在视觉导航定位系统中,目前国内外应用较多的是基于局部视觉的在机器人中安装车载摄像机的导航方式。在这种导航方式中,控制设备和传感装置装载在机器人车体上,图像识别、路径规划等高层决策都由车载控制计算机完成。

自主移动机器人常用的导航定位技术及原理

视觉导航定位系统主要包括:摄像机(或CCD图像传感器)、视频信号数字化设备、基于DSP的快速信号处理器、计算机及其外设等。现在有很多机器人系统采用CCD图像传感器,其基本元件是一行硅成像元素,在一个衬底上配置光敏元件和电荷转移器件,通过电荷的依次转移,将多个象素的视频信号分时、顺序地取出来,如面阵CCD传感器采集的图像的分辨率可以从32×32到1024×1024像素等。

自主移动机器人常用的导航定位技术及原理

视觉导航定位系统的工作原理简单说来就是对机器人周边的环境进行光学处理,先用摄像头进行图像信息采集,将采集的信息进行压缩,然后将它反馈到一个由神经网络和统计学方法构成的学习子系统,再由学习子系统将采集到的图像信息和机器人的实际位置联系起来,完成机器人的自主导航定位功能。

自主移动机器人常用的导航定位技术及原理

二、光反射导航定位

自主移动机器人常用的导航定位技术及原理

典型的光反射导航定位方法主要是利用激光或红外传感器来测距。激光和红外都是利用光反射技术来进行导航定位的。

自主移动机器人常用的导航定位技术及原理

激光全局定位系统一般由激光器旋转机构、反射镜、光电接收装置和数据采集与传输装置等部分组成。

自主移动机器人常用的导航定位技术及原理

工作时,激光经过旋转镜面机构向外发射,当扫描到由后向反射器构成的合作路标时,反射光经光电接收器件处理作为检测信号,启动数据采集程序读取旋转机构的码盘数据(目标的测量角度值),然后通过通讯传递到上位机进行数据处理,根据已知路标的位置和检测到的信息,就可以计算出传感器当前在路标坐标系下的位置和方向,从而达到进一步导航定位的目的。

激光测距具有光束窄、平行性好、散射小、测距方向分辨率高等优点,但同时它也受环境因素干扰比较大,因此采用激光测距时怎样对采集的信号进行去噪等也是一个比较大的难题,另外激光测距也存在盲区,所以光靠激光进行导航定位实现起来比较困难,在工业应用中,一般还是在特定范围内的工业现场检测,如检测管道裂缝等场合应用较多。

红外传感技术经常被用在多关节机器人避障系统中,用来构成大面积机器人“敏感皮肤”,覆盖在机器人手臂表面,可以检测机器人手臂运行过程中遇到的各种物体。

典型的红外传感器包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管。由红外发光管发射经过调制的信号,红外光敏管接收目标物反射的红外调制信号,环境红外光干扰的消除由信号调制和专用红外滤光片保证。设输出信号Vo代表反射光强度的电压输出,则Vo是探头至工件间距离的函数:

Vo=f(x,p)

式中,p工件反射系数。p与目标物表面颜色、粗糙度有关。x探头至工件间距离。

当工件为p值一致的同类目标物时,x和Vo一一对应。x可通过对各种目标物的接近测量实验数据进行插值得到。这样通过红外传感器就可以测出机器人距离目标物体的位置,进而通过其他的信息处理方法也就可以对移动机器人进行导航定位。

虽然红外传感定位同样具有灵敏度高、结构简单、成本低等优点,但因为它们角度分辨率高,而距离分辨率低,因此在移动机器人中,常用作接近觉传感器,探测临近或突发运动障碍,便于机器人紧急停障。

三、GPS全球定位系统

如今,在智能机器人的导航定位技术应用中,一般采用伪距差分动态定位法,用基准接收机和动态接收机共同观测4颗GPS卫星,按照一定的算法即可求出某时某刻机器人的三维位置坐标。差分动态定位消除了星钟误差,对于在距离基准站1000km的用户,可以消除星钟误差和对流层引起的误差,因而可以显着提高动态定位精度。

但是因为在移动导航中,移动GPS接收机定位精度受到卫星信号状况和道路环境的影响,同时还受到时钟误差、传播误差、接收机噪声等诸多因素的影响,因此,单纯利用GPS导航存在定位精度比较低、可靠性不高的问题,所以在机器人的导航应用中通常还辅以磁罗盘、光码盘和GPS的数据进行导航。另外,GPS导航系统也不适应用在室内或者水下机器人的导航中以及对于位置精度要求较高的机器人系统。

四、超声波导航定位

超声波导航定位的工作原理也与激光和红外类似,通常是由超声波传感器的发射探头发射出超声波,超声波在介质中遇到障碍物而返回到接收装置。

通过接收自身发射的超声波反射信号,根据超声波发出及回波接收时间差及传播速度,计算出传播距离S,就能得到障碍物到机器人的距离,即有公式:S=Tv/2式中,T超声波发射和接收的时间差;v超声波在介质中传播的波速。

当然,也有不少移动机器人导航定位中用到的是分开的发射和接收装置,在环境地图中布置多个接收装置,而在移动机器人上安装发射探头。

在移动机器人的导航定位中,因为超声波传感器自身的缺陷,如:镜面反射、有限的波束角等,给充分获得周边环境信息造成了困难,因此,通常采用多传感器组成的超声波传感系统,建立相应的环境模型,通过串行通信把传感器采集到的信息传递给移动机器人的控制系统,控制系统再根据采集的信号和建立的数学模型采取一定的算法进行对应数据处理便可以得到机器人的位置环境信息。

由于超声波传感器具有成本低廉、采集信息速率快、距离分辨率高等优点,长期以来被广泛地应用到移动机器人的导航定位中。而且它采集环境信息时不需要复杂的图像配备技术,因此测距速度快、实时性好。

同时,超声波传感器也不易受到如天气条件、环境光照及障碍物阴影、表面粗糙度等外界环境条件的影响。超声波进行导航定位已经被广泛应用到各种移动机器人的感知系统中。

五、目前主流的机器人定位技术是SLAM技术(Simultaneous Localization and Mapping即时定位与地图构建)。行业领先的服务机器人企业,八成都采用了SLAM技术。简单来说,SLAM技术是指机器人在未知环境中,完成定位、建图、路径规划的整套流程。

SLAM(Simultaneous Localization and Mapping,即时定位与地图构建),自1988年被提出以来,主要用于研究机器人移动的智能化。对于完全未知的室内环境,配备激光雷达等核心传感器后,SLAM技术可以帮助机器人构建室内环境地图,助力机器人的自主行走。

SLAM问题可以描述为: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传感器数据进行自身定位,同时建造增量式地图。

SLAM技术的实现途径主要包括VSLAM、Wifi-SLAM与Lidar SLAM。

1.VSLAM(视觉SLAM)

指在室内环境下,用摄像机、Kinect等深度相机来做导航和探索。其工作原 理简单来说就是对机器人周边的环境进行光学处理,先用摄像头进行图像信息采集,将采集的信息进行压缩,然后将它反馈到一个由神经网络和统计学方法构成的学习子系统,再由学习子系统将采集到的图像信息和机器人的实际位置联系起来,完成机器人的自主导航定位功能。

但是,室内的VSLAM仍处于研究阶段,远未到实际应用的程度。一方面,计算量太大,对机器人系统的性能要求较高;另一方面,VSLAM生成的地图(多数是点云)还不能用来做机器人的路径规划,需要进一步探索和研究。

2.Wifi-SLAM

指利用智能手机中的多种传感设备进行定位,包括Wifi、GPS、陀螺仪、加 速计和磁力计,并通过机器学习和模式识别等算法将获得的数据绘制出准确的室内地图。该技术的提供商已于2013年被苹果公司收购,苹果公司是否已经把 Wifi-SLAM 的科技用到iPhone上,使所有 iPhone 用户相当于携带了一个绘图小机器人,这一切暂未可知。毋庸置疑的是,更精准的定位不仅有利于地图,它会让所有依赖地理位置的应用(LBS) 更加精准。

3.Lidar SLAM

指利用激光雷达作为传感器,获取地图数据,使机器人实现同步定位与地图构建。就技术本身而言,经过多年验证,已相当成熟,但Lidar成本昂贵这一瓶颈问题亟待解决。

Google无人驾驶汽车正是采用该项技术,车顶安装的激光雷达来自美国 Velodyne公司,售价高达7万美元以上。这款激光雷达可以在高速旋转时向周围发射64束激光,激光碰到周围物体并返回,便可计算出车体与周边物体的距离。计算机系统再根据这些数据描绘出精细的3D地形图,然后与高分辨率地图相结合,生成不同的数据模型供车载计算机系统使用。激光雷达占去了整车成本的一半,这可能也是 Google 无人车迟迟无法量产的原因之一。

激光雷达具有指向性强的特点,使得导航的精度得到有效保障,能很好地适应室内环境。但是,Lidar SLAM却并未在机器人室内导航领域有出色表现,原因就在于激光雷达的价格过于昂贵。

为了让这项无人车技术更快地进入日常使用,顺着“弱硬件+强算法”的思路,Quanery 用固态图像传感器替代了 360 度旋转的摄像头和激光测距器,成本将降到 1000 美元一套左右。加拿大创业公司 Leddar Tech 利用 LED 灯进行测距,套件售价为299 美元。创业公司Savioke推出的Relay机器人采用Lidar SLAM技术,它可以自动为酒店房间运送牙刷、毛巾和其他物品。

总结

随着谷歌无人驾驶车的使用,基于激光雷达技术的雷达SLAM算法也变成了科研界的热门话题。据介绍,雷达SLAM虽然成本较高,但却是目前最稳定、最可靠、高性能的SLAM方式。刚刚完成A轮融资的深圳优地科技有限公司,旗下优地机器人采用的正是雷达SLAM。这种技术定位精度控制在±10mm内,能够确保机器人在完全未知的环境中创造地图,同时根据地图进行定位、导航、自主规划路线。也就是说你下达任务后以后它就能自主规划路线、完成任务后回到迎宾地点,无需人工操作,与谷歌无人驾驶技术有异曲同工之妙。

计算机技术、传感技术等的不断发展,人们对机器人导航自主性的要求越来越高,SLAM已经发展成为使机器人探测陌生环境并找到路线的标准工具。而室内定位与导航领域,由于激光雷达成本的下降,Lidar SLAM将成为服务机器人实现自由行走的必然选择。

SLAM技术目前已广泛应用于AR、机器人、无人驾驶等新兴领域,其中雷达SLAM因良好的指向性与高度聚焦性,成为行业主流定位导航方式。

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