移動機(jī)器人空間定位技術(shù)綜述 ppt下載

移動機(jī)器人的研究始于 60 年代末期。 斯坦福研究院(SRI)的NilsNilssen 和CharlesRosen 等人，在1966 年至 1972 年中研造出了取名 Shakey的自主移動機(jī)器人。 目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù)，在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。 與此同時，最早的操作式步行機(jī)器人也研制成功， 從而開始了機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)方面的研究，以解決機(jī)器人在不平整地域內(nèi)的運(yùn)動問題， 設(shè)計并研制出了多足步行機(jī)器人。其中最著名是名為 GeneralElectric Quadruped的步行機(jī)器人。70 年代末， 隨著計算機(jī)的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，移動機(jī)器人研究又出現(xiàn)了新的高潮。 特別是在 80 年代中期， 設(shè)計和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司開始研制移動機(jī)器人平臺， 這些移動機(jī)器人主要作為大學(xué)實驗室及研究機(jī)構(gòu)的移動機(jī)器人實驗平臺，從而促進(jìn)了移動機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。90 年代以來， 以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動機(jī)器人控制技術(shù)， 真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動機(jī)器人更高層次的研究。

移動機(jī)器人在運(yùn)動過程中要碰到并且解決如下三個問題：(1)我(機(jī)器人)現(xiàn)在何處?(2)我要往何處走?(3)我要如何到達(dá)該處?其中第一個問題是其導(dǎo)航系統(tǒng)總的定位及其跟蹤問題，第二、三個是導(dǎo)航系統(tǒng)的路徑規(guī)劃問題。移動機(jī)器人定位技術(shù)的任務(wù)就是解決上面的第一個問題。現(xiàn)有的移動機(jī)器人定位傳感器種類很多，如里程計、陀螺、羅盤、攝像頭、激光雷達(dá)等。而大多數(shù)的移動機(jī)器人安裝了不只一種用于定位的傳感器。

移動機(jī)器人從工作環(huán)境來分，可分為室內(nèi)移動機(jī)器人和室外移動機(jī)器人； 按移動方式來分：輪式移動機(jī)器人、步行移動機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、履帶式移動機(jī)器人、爬行機(jī)器人等； 按控制體系結(jié)構(gòu)來分： 功能式(水平式)結(jié)構(gòu)機(jī)器人、行為式(垂直式)結(jié)構(gòu)機(jī)器人和混合式機(jī)器人；按功能和用途來分： 醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、助殘機(jī)器人、清潔機(jī)器人等。按作業(yè)空間來分： 陸地移動機(jī)器人、水下機(jī)器人、無人飛機(jī)和空間機(jī)器人。

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圖1.清潔機(jī)器人

動機(jī)器人的坐標(biāo)定位是實現(xiàn)機(jī)器人自主行走，姿態(tài)控制，軌跡跟蹤等各種任務(wù)的前提。機(jī)器人必須準(zhǔn)確地知道自己的坐標(biāo)位置及姿態(tài)參數(shù)才能正確準(zhǔn)確的執(zhí)行命令。因此，定位問題是移動機(jī)器人研究中的關(guān)鍵問題之一。

無論是單個移動機(jī)器人還是多個移動機(jī)器人系統(tǒng)，定位始終是一項難題。 在完全未知或部分未知環(huán)境下，基于自然路標(biāo)導(dǎo)航與定位技術(shù)以及視覺導(dǎo)航中路標(biāo)的識別和圖像處理的快速算法的研究， 并通過專用數(shù)字信號處理器(DSP)的開發(fā)與研制， 可以為導(dǎo)航與定位提供突破性進(jìn)展。

日本本田公司的HondaP3 步行機(jī)器人雖然代表著當(dāng)今世界類機(jī)器人的最高水平，但仍存在供能時間短、行走緩慢和語音功能不完善等方面的問題。 P3機(jī)器人目前采用的鎳鋅電池只能供給 25 分鐘的電量， 電池的體積、重量與其蓄電容量相比，龐大而笨重， 遠(yuǎn)不能滿足未來服務(wù)步行機(jī)器人的工作時間要求。需研制適用于移動機(jī)器人攜帶的蓄電容量大且體積小、重量輕的蓄電池， 以解決可攜帶能源問題；類人機(jī)器人的語音功能遠(yuǎn)未達(dá)到未來同人類共存與合作所應(yīng)具備的語音功能， 需要在語音信號特征提取和模式匹配、抗噪聲以及語音識別器的詞匯量擴(kuò)充等方面， 進(jìn)行探討； 類人機(jī)器人的行走速度同人類的行走乃至奔跑速度還有較大差距。需要研制體積小、重量輕驅(qū)動力大的驅(qū)動系統(tǒng)和完善行走機(jī)構(gòu)來近似人類的肌肉和骨骼； 同時， 研究自然界各種生物的覓食、定位及路徑跟蹤等生態(tài)策略，將人類所不及的生物特長賦予機(jī)器人， 研制如機(jī)器蛇、機(jī)器狗和機(jī)器魚等各種仿生機(jī)器人。

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圖2.日本本田公司的P3機(jī)器人

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展延伸，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展完善， 通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)遙控機(jī)器人，為人機(jī)交互技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、遠(yuǎn)程操作技術(shù)和圖像與控制命令的網(wǎng)絡(luò)傳輸及并發(fā)多進(jìn)程數(shù)據(jù)通訊等通訊技術(shù)

目前多機(jī)器人系統(tǒng)的研究尚處于理論研究階段，對于多機(jī)器人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)作機(jī)制、信息交互以及沖突消除等方面將是多機(jī)器人系統(tǒng)的進(jìn)一步研究方向。技術(shù)上提出了更高的挑戰(zhàn)。

移動機(jī)器人在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用刺激了特種機(jī)器人的研究與開發(fā)。戰(zhàn)場上， 為保護(hù)士兵的生命， 刺激了無人戰(zhàn)車、掃雷機(jī)器人和偵察機(jī)器人等軍用機(jī)器人的不斷研究； 人民生活水平的提高促進(jìn)了娛樂機(jī)器人、外科手術(shù)機(jī)器人和助殘機(jī)器人等民用服務(wù)機(jī)器人的開發(fā)。

移動機(jī)器人的多傳感器信息融合方面的研究始于 80 年代。多傳感器融合的常用方法有： 加權(quán)平均法、貝葉斯估計、卡爾曼濾波、統(tǒng)計決策理論、 D-S證據(jù)推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理法以及帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則。其中加權(quán)平均法是最簡單也最直觀的方法， 一般用于對動態(tài)低水平的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 但結(jié)果不是統(tǒng)計上的最優(yōu)估計；貝葉斯估計是融合靜態(tài)環(huán)境中多傳感器低層數(shù)據(jù)的常用方法， 適用于具有高斯白噪聲的不確定性傳感信息融合；對于系統(tǒng)噪聲和觀測噪聲為高斯白噪聲的線性系統(tǒng)模型用卡爾曼濾波(KF)來融合動態(tài)低層次冗余傳感信息， 對于非線性系統(tǒng)模型采用擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)或者分散卡爾曼濾波(DKF)； 統(tǒng)計決策理論用于融合多個傳感器的同一種數(shù)據(jù)，常用于圖像觀測數(shù)據(jù)； D-S證據(jù)推理是貝葉斯估計法的擴(kuò)展， 它將局部成立的前提與全局成立的前提分離開來，以處理前提條件不完整的信息融合； 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法根據(jù)系統(tǒng)要求和融合形式，選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)確定網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值，對各傳感器的輸入信息進(jìn)行融合。 系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯性和魯棒性；模糊推理法首先對多傳感器輸出進(jìn)行模糊化， 將所測得的距離等信息分級，表示成相應(yīng)的模糊子集， 并確定模糊子集的隸屬度函數(shù)，通過融合算法對隸屬度函數(shù)綜合處理， 再將模糊融合結(jié)果清晰化，求出融合值； 帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則主要用于符號水平層表達(dá)傳感器信息，結(jié)合專家系統(tǒng)對多傳感信息進(jìn)行融合。。

航跡推算(Dead—Reckoning簡稱DR)是一種使用最廣泛的定位手段。不需要外部傳感器信息來實現(xiàn)對車輛位置和方向的估計，并且能夠提供很高的短期定位精度。航跡推算定位技術(shù)的關(guān)鍵是要能測量出移動機(jī)器人單位時間間隔走過的距離。以及在這段時間內(nèi)移動機(jī)器人航向的變化。根據(jù)傳感器的不同，主要有基于慣性傳感器的航跡推算定位方法以及基于碼盤的航跡推算定位方法。利用陀螺和加速度計分別測量出旋轉(zhuǎn)率和加速率，在對測量結(jié)果進(jìn)行積分，從而求解出移動機(jī)器人移動的距離以及航向的變化，再根據(jù)航跡推算的基本算法，求得移動機(jī)器人的位置以及姿態(tài)，這就是基于慣性器件的航跡推算定位方法。這種方法具有自

優(yōu)點：無需外部參考。
       缺點：隨時間有漂移，積分之后，任何小的常數(shù)誤差都會無限增長。因此，慣性傳感器對于長時間的精確定位是不適合的。

信號燈定位系統(tǒng)是船只和飛行器普遍的導(dǎo)航定位手段�；�于信號燈的定位系統(tǒng)依賴一組安裝在環(huán)境中已知的信號燈。在移動機(jī)器人上安裝傳感器，對信號燈進(jìn)行觀測。用于環(huán)境觀測的傳感器有很多種，可以是主動的信號，比如主動視覺、超聲波、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)收發(fā)器，也可以是被動的信號，比如GPS、被動視覺：信號燈經(jīng)過很短的處理過程能夠提供穩(wěn)定、精確的位置信息。雖然這種定位方法提供很高的采樣率以及極高的穩(wěn)定性，但是安裝和維護(hù)信標(biāo)花費(fèi)很高。

優(yōu)點：信號燈經(jīng)過很短的處理過程能夠提供穩(wěn)定、精確的位置信息。這種定位方法提供很高的采樣率以及極高的穩(wěn)定性。

缺點：安裝和維護(hù)信標(biāo)花費(fèi)很高。

在基于地圖的定位技術(shù)中，地圖構(gòu)建是其中的一個重要的內(nèi)容。環(huán)境的描述--地圖：地圖是環(huán)境的模型， 當(dāng)前主要有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述地圖和幾何地圖兩種。拓?fù)涞貓D抽象度高， 有以下優(yōu)勢： ①有利于進(jìn)一步的路徑和任務(wù)規(guī)劃；②存儲和搜索空間都比較小， 計算效率高； ③可以使用很多現(xiàn)有的成熟、高效的搜索和推理算法。 缺點在于對拓?fù)鋱D的使用是建立在對拓?fù)涔?jié)點的識別匹配基礎(chǔ)上的，在這個前提不能滿足時， 該方法就會失效。幾何地圖可以是柵格描述的，也可以是用線段或者是多邊形描述的， 優(yōu)點是建立容易，盡量保留了整個環(huán)境的各種信息， 定位過程中也不再依賴于對環(huán)境特征的識別，但是， 定位過程中搜索空間很大，如果沒有較好的簡化算法，實現(xiàn)實時應(yīng)用比較困難。

機(jī)器人利用對環(huán)境的感知信息對現(xiàn)實世界進(jìn)行建模，自動地構(gòu)建一個地圖。典型的地圖表示方法有幾何地圖，拓?fù)涞貓D。幾何圖是獲取環(huán)境的幾何特征，然而拓?fù)鋱D是描述了不同區(qū)域的連通性。但是幾何圖和拓?fù)鋱D之間的區(qū)別確是模糊不清的，因為實際上所有的拓?fù)浞椒ǘ家蕾囉趲缀涡畔�。幾何圖有更高的解析度的同時帶來了較大的計算量，幾何地圖又分為柵格地圖和特征地圖。

柵格地圖是一個近似的解決方案，但其對特定感知系統(tǒng)的假設(shè)參數(shù)不敏感，具有較強(qiáng)的魯棒性。特征地圖通過對環(huán)境特征的提取和參量華描述來表征環(huán)境，具有直觀、精度高的特點，運(yùn)用參量法描述幾何特征尤其適合于不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換和對不同傳感器信息的融合。構(gòu)建了一個精確的環(huán)境地圖，通過對觀測的信息與地圖進(jìn)行配準(zhǔn)就可以計算機(jī)器人的位置。這里主要采用的是數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的方法，就是在觀測信息與地圖信息之間尋找對應(yīng)。對于移動機(jī)器人定位問題，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)就是把所觀測到的環(huán)境特征與適當(dāng)?shù)牡貓D特征對應(yīng)起來。在基于環(huán)境地圖的定位方法中，一個最著名的定位方法是基于卡爾曼濾波技術(shù)的定位，另一個是基于柵格地圖的馬爾可夫定位，這種定位算法的另一個版本是蒙特卡洛定位，是粒子濾波定

位的一種。機(jī)器人位置的概率密度函數(shù)用一組“samples”／“particles”來近似。在定位過程中，對先驗概率密度分布進(jìn)行隨機(jī)采樣，當(dāng)?shù)玫叫碌膫鞲衅餍畔�時，對采樣進(jìn)行加權(quán)。由于要求采樣集足夠大，這種方法需要更大的計算負(fù)擔(dān)。如果采樣集太小，算法的性能降低。

優(yōu)點：直觀、精確度高，適合于不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換和對不同傳感器信息的融合。

缺點：計算量大，對環(huán)境的自適應(yīng)能力低。當(dāng)環(huán)境物體變化時，往往會出錯。

路標(biāo)是機(jī)器人能從其傳感輸入所能認(rèn)出的不同特性。路標(biāo)可以是幾何形狀(如線段，圓，或矩形)，也可包括附加信息。一般情況，路標(biāo)有固定的和已知的位置。路標(biāo)要認(rèn)真仔細(xì)地選擇，以利于識別，例如，相對于環(huán)境，要有充分的對比。為了利用路標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航定位，必須知道路標(biāo)的特征并將其事先存入機(jī)器人的內(nèi)存中。然后，定位的主要任務(wù)就是可靠地識別路標(biāo)以便計算機(jī)器人的位置。為了簡化路標(biāo)獲取問題，常常假設(shè)當(dāng)前機(jī)器人的位置和方位近似已知，這樣就可使機(jī)器人在一個有限的區(qū)域內(nèi)尋找路標(biāo)。因此，為了成功地探測到路標(biāo)，要求有一個好的測距法。路標(biāo)分自然路標(biāo)和人工路標(biāo)。自然路標(biāo)是早已在環(huán)境中存在并且除了用于機(jī)器人導(dǎo)航之外還有一定功能的目標(biāo)或特征。人工路標(biāo)是安裝在環(huán)境中單獨用于機(jī)器人導(dǎo)航的專門設(shè)計的目標(biāo)或標(biāo)記。

優(yōu)點：方便易于實現(xiàn)，定位精度相對較高

缺點：需要對路標(biāo)的合理布局，并且安裝量大，維護(hù)費(fèi)用高。

基于視覺的定位定向，即利用計算機(jī)視覺技術(shù)實現(xiàn)環(huán)境的感知和理解，分析出道路的結(jié)構(gòu)，識別出定位通行的道路區(qū)，進(jìn)而根據(jù)任務(wù)要求實時地做出道路規(guī)劃，監(jiān)控并驅(qū)動駕駛裝置執(zhí)行此規(guī)劃，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

視覺傳感器包含了豐富的環(huán)境信息，可以用于目標(biāo)識別跟蹤、環(huán)境地圖構(gòu)建、障礙檢測等。因其能實現(xiàn)多種功能的特點，所以基于視覺傳感器的機(jī)器人定位定向技術(shù)引起了人們越來越多的關(guān)注。很多學(xué)者提出了不同的定位方法，這些定位大體可分為以下三類：第一類是基于立體視覺的方法，這類方法的突出優(yōu)點是能獲取周圍環(huán)境的深度信息，從而能夠?qū)崿F(xiàn)較為準(zhǔn)確地定位，但存在需要對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定等問題。第二類是基于全方位視覺傳感器的定位方法，使用這種視覺傳感器不需要控制攝像頭，但是它會對感知到的環(huán)境產(chǎn)生很大的畸變。第三類是基于單目視覺的機(jī)器人定位算法。這類方法具有簡單易用和適用范圍廣等特點，還可以與里程儀等傳感器相結(jié)合實現(xiàn)運(yùn)動立體視覺定位，實現(xiàn)對環(huán)境特征的三維測量完成環(huán)境建圖，因而單目視覺使用較為靈活，也不會像全方位視覺傳感器那樣產(chǎn)生很大的畸變。

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圖3.日本川田工業(yè)公司的新機(jī)器人NEXTAGE

基于雙目運(yùn)動立體視覺的機(jī)器人定位定向方法：雙目攝像機(jī)安裝于云臺上，云臺可實現(xiàn)360度自由轉(zhuǎn)動，雙目立體視覺實現(xiàn)環(huán)境標(biāo)志物識別與三維測量，顯然標(biāo)志物的三維信息帶有誤差。同時，利用碼盤的數(shù)據(jù)可以得到機(jī)器人的初步定位碼盤定位也不可避免的存在誤差，通過卡爾曼濾波將兩者的信息相融合以得到更為準(zhǔn)確地機(jī)器人和標(biāo)志物的位置信息。英國牛津大學(xué)在這方面進(jìn)行了深入的研究，在室內(nèi)環(huán)境下的機(jī)器人實驗中取得了良好的效果。

優(yōu)點：數(shù)字圖像處理技術(shù)相對成熟，技術(shù)門檻相對較低。

缺點：視賞感知受視線和能見度的限制，在光線條件較差或者障礙物阻擋的情況下，視覺感知就會失效。

機(jī)器人視覺技術(shù)極大地拓寬了機(jī)器人的應(yīng)用范圍，提高了機(jī)器人的工作效率。但視賞感知受視線和能見度的限制，在光線條件較差或者障礙物阻擋的情況下，視覺感知就會失效。在這種情況下．聽覺系統(tǒng)作為人類感官的重要組成部分，為機(jī)器人感知技術(shù)的研究提供了新的思路。聲音定位技術(shù)正是通過對人耳聽覺機(jī)制的模擬．利用聲學(xué)傳感裝置接收聲波，再通過電子裝置將聲信號進(jìn)行處理．從而實現(xiàn)聲源位置探測、識別以及目標(biāo)定位及跟蹤。20世紀(jì)80年代來。聲音定位技術(shù)以其隱蔽性強(qiáng)、適用性高、低成本等獨特優(yōu)點．逐漸受到各國的重視，在軍事和民用上都有十分廣闊的應(yīng)用，如在戰(zhàn)場指揮、海戰(zhàn)場水下目標(biāo)感知等危險環(huán)境作業(yè)中的應(yīng)用等。

機(jī)器人聽覺定位研究包括如下幾個問題：聲音信息的獲取。聲音信息的處理，聲音定位，多傳感器信息融合等。

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圖4.索尼公式研制的具有聽覺定位功能的機(jī)器人QRIO SDR-4XII

聲音定位的發(fā)展趨勢：

移動機(jī)器人聽覺定位技術(shù)研究已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展，研究成績令人鼓舞，怛還遠(yuǎn)來達(dá)到實用要求。來來的研究重點包括

(1)聲源定位的實時性。實時性是機(jī)器人聽覺實用他的要求。因此，降低定位方法的計算量、提高定位實時性是機(jī)器人聽覺定位研究的期望目標(biāo)之一。

(2)多個移動聲源目標(biāo)的識別分離。當(dāng)目標(biāo)聲源多于一個的時候．系統(tǒng)需要識別每一個目標(biāo)聲源及其位置．這是目前機(jī)器人聽覺定位研究的熱點。

(3)在機(jī)器人能夠通過聽覺進(jìn)行聲源定位的基礎(chǔ)上．進(jìn)一步實現(xiàn)語音分離．以及語音識別，從而真正實現(xiàn)人機(jī)互動。

優(yōu)點：具有隱蔽性強(qiáng)、適用性高、低成本等獨特優(yōu)點。

缺點：（1）當(dāng)定位的實時性要求較高時，聽覺定位的計算量大。（2）目標(biāo)聲源多于一個的時候，識別困難。

綜上所述，移動機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)取得了很多可喜的進(jìn)展，研究成果令人鼓舞,，但還遠(yuǎn)未達(dá)到實用要求.。隨著傳感技術(shù)、智能技術(shù)和計算技術(shù)等的不斷提高，智能移動機(jī)器人一定能夠在生產(chǎn)和生活中扮演人的角色。

針對不同的機(jī)器人以及機(jī)器人所工作的不同環(huán)境，可以選擇特定的定位技術(shù)或是將幾種定位技術(shù)結(jié)合起來，以滿足移動機(jī)器人的定位需要。本文給出了移動機(jī)器人常用的定位技術(shù)，提出了各種定位技術(shù)的優(yōu)缺點。這對移動機(jī)器人定位方法的選擇具有較高的參考價值。

[1] 陶敏，陳新，孫振平. 移動機(jī)器人定位技術(shù). 火力與指揮控制,2010, 7

[2] 李磊，葉濤，譚民，陳細(xì)軍. 移動機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來.機(jī)器人.2002.9

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