2111503057萬宇-機器人導論讀書報告

1、訛匕工工g*孝移動機器人導航技術(shù)姓名萬宇 學號 2111503057專業(yè)控制科學與控制工程學院信息學院引言移動機器人是多個系統(tǒng)的綜合體， 其中包括控制與制導， 路徑規(guī)劃， 信息與 通信等多個領(lǐng)域的最新內(nèi)容是當前理論研究和實際應(yīng)用最為活躍的領(lǐng)域之一。 近 年來，機器人的種類不斷擴大，結(jié)構(gòu)不斷創(chuàng)新，性能也隨之得到了迅猛的發(fā)展， 應(yīng)用領(lǐng)域從之前的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、 醫(yī)療輔助、 家居服務(wù)等行業(yè)擴展到軍事作戰(zhàn)、 深 海探索、后勤保障等更為復(fù)雜的領(lǐng)域。 常見機器人導航方式有基于慣性器件的慣 性導航、基于環(huán)境圖像的視覺導航、 基于衛(wèi)星的導航、 基于磁感應(yīng)傳感器的磁導 航以及基于激光雷達的激光導航等多種技術(shù)。1 國

2、內(nèi)外移動機器人的發(fā)展動態(tài)國外在移動機器人技術(shù)研究方面起步較早， 在企業(yè)界和學術(shù)界均已取得很多 成果。國外機器人企業(yè)在移動機器人方面的典型成果有 :日本本田于 2000年發(fā)布 了首款A(yù)SIMOV器人，該機器人主要使用視覺導航及超聲波導航技術(shù)， 通過視覺 傳感器與超聲波傳感器進行定位， 并捕捉來向人群的行動路線進行局部路徑規(guī)劃， 進而出色地完成智能導游的任務(wù)。 IntuitiveSurgical 公司于 1999年首次發(fā)布 daVin-ci 外科手術(shù)機器人，該機器人通過視覺導航完成三維定位，協(xié)助醫(yī)生完 成手術(shù)；波士頓動力公司于2005年推出首款BigDog四足大狗機器人，該機器人 能夠通過立體視覺

3、完成路面識別以及自身定位， 通過激光傳感器感應(yīng)引路人的位 置，慣性系統(tǒng)達到姿態(tài)穩(wěn)定， 同時利用構(gòu)建消耗地圖實現(xiàn)機器人的路徑規(guī)劃并完 成軍事任務(wù)。而iRobot公司的Roomba系列吸塵器機器人通過紅外傳感器進行定 位以及路徑規(guī)劃，完成清掃房間的任務(wù)。我國在移動機器人領(lǐng)域的研究起步較晚， 但是也開始嶄露頭角， 如中國科學 技術(shù)大學機器人團隊的“可佳”可以與人進行簡單的交流且具備一定的邏輯推 理能力，能夠完成相應(yīng)的自主導航任務(wù) ； 哈爾濱工業(yè)大學 2010年開發(fā)研制的智能 移動機器人可以為病人倒水喂藥、 與病人進行簡單的交流、 唱歌跳舞。 上海交大 開發(fā)了一個餐廳服務(wù)機器人， 利用雙目視覺系統(tǒng)進行

4、精確定位， 確保機器人能夠 準確抓取餐盤。從以上國內(nèi)外移動機器人的研究現(xiàn)狀可以看出， 導航系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)包括定位、 避障、路徑規(guī)劃等， 是移動機器人實現(xiàn)功能的保障， 新型移動機器人的開發(fā)必須 根據(jù)其功能選擇適合的導航技術(shù)，并設(shè)計合理可行的導航系統(tǒng)。2 移動機器人導航技術(shù)現(xiàn)狀以上所述移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀表明， 導航技術(shù)是移動機器人進一步智能化 和得以廣泛應(yīng)用所需要突破的技術(shù)難點，因此下面對導航技術(shù)的相關(guān)動態(tài)進行全面的總結(jié)。 目前，應(yīng)用于移動機器人的導航技術(shù)多種多樣， 其中最常用的 主要有磁導航、慣性導航、傳感器導航、衛(wèi)星導航、視覺導航。21 磁導航目前，移動機器人磁導航主要通過以下方式實現(xiàn) : 在

5、行駛路線下埋設(shè)能夠產(chǎn) 生磁場的結(jié)構(gòu) （ 如可通電導線或磁鐵 ） ，通過機器人上安裝的磁傳感器檢測磁場， 并引導機器人按照預(yù)定軌道行駛進行導航。 該方法抗干擾能力強， 不易受環(huán)境因 素的影響，具有較高的精度和良好的重復(fù)性。但成本較高，可變性較差，且無法 對出現(xiàn)在行駛路徑中的障礙物做出避障反應(yīng)。 該技術(shù)多應(yīng)用于工作環(huán)境簡單， 精 度要求高， 可靠性好的移動機器人中。 另外，有學者希望根據(jù)觀測每個方位磁場 的顯著變化進行移動機器人導航， 并對此展開了深入研究。 一種是基于實際數(shù)據(jù) 的地圖匹配方案， 假設(shè)基于室內(nèi)磁場的地圖已經(jīng)創(chuàng)建完成， 將磁場測量裝置測得 的數(shù)據(jù)與地圖數(shù)據(jù)進行匹配得到具體的方位值 ;

6、一種是引導 -跟隨方案，指引車在 室內(nèi)穿梭， 并不斷地測量磁場值， 同時將觀測數(shù)據(jù)傳送給之后跟隨的車輛， 跟隨 車輛根據(jù)接受到的數(shù)據(jù)嘗試以同樣的路徑行駛。 這種方法不需要人為改變移動機器人周圍的環(huán)境，建是至關(guān)重要的，且導航精度較高。 對于這樣一種導航方案， 前期的磁場地圖創(chuàng)進而提高導航精度。學者們對于這一關(guān)鍵步驟進行了進一步的探討， 力求得到更好 的地圖創(chuàng)建方法，22 慣性導航慣性導航最初主要應(yīng)用于航空宇航領(lǐng)域， 該導航系統(tǒng)分為平臺式慣導系統(tǒng)和 捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)兩類， 平臺式慣導系統(tǒng)存在一個物理平臺， 慣性元件安裝在物理 平臺上測量平臺相對于慣性空間的角速度與加速度 ; 捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)采用數(shù)字式

7、 平臺替代了傳統(tǒng)的物理平臺， 將慣性器件直接固連在載體上。 研究人員利用慣性 元件（ 加速度計和陀螺儀 ） 來測量機器人本身的加速度以及角速度， 并結(jié)合給定的 初始條件，經(jīng)過積分和運算得到速度、位置、姿態(tài)等參數(shù)，進而達到機器人自主 導航的目的。該導航技術(shù)隱蔽性好， 不易受外界干擾。 但導航定位精度會隨著機 器人所走航程的增加而下降，且誤差會累積，通常需要進行誤差修正。因此，慣性導航技術(shù)多用于短期導航或與其他導航方式相結(jié)合的組合式導航。23 傳感器數(shù)據(jù)導航傳感器數(shù)據(jù)導航通過非視覺傳感器進行定位導航， 常用的傳感器數(shù)據(jù)導航技 術(shù)有紅外導航，超聲導航和激光導航。紅外導航利用紅外傳感器進行距離測量，

8、判斷機器人在環(huán)境中的位置。其結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)速度快，但易受光線、顏色、形狀等影響0最基本的紅外導航方法是將紅外線發(fā)射器與紅外線接收器安裝在機器 人上，通過發(fā)射器發(fā)射紅外線， 反射后由接收器接收， 得到機器人與物體之間的 距離，判斷機器人所處的位置。超聲導航是應(yīng)用最為廣泛的傳感器導航技術(shù)， 通過超聲傳感器實現(xiàn)距離測量 進而完成導航，該方法成本低，結(jié)構(gòu)簡單，不受光線影響，但易受物體表面形狀影響而降低導航精度且無法探測遠距離物體0 超聲導航的基本原理是超聲發(fā)射器 發(fā)射超聲波， 在空氣中傳播遇到被測物體， 反射之后由超聲波接收器接收， 根據(jù) 發(fā)射與反射的時間差確定機器人與被測物體之間的距離， 實現(xiàn)機器人

9、導航0 然而 超聲傳感器存在很大的波束角， 無法準確判斷機器人的方向， 這也影響了機器人的導航精度0激光導航通過激光傳感器測距， 原理與紅外導航和超聲導航基本相同， 但是激光信號能量密度大，亮度高，顏色純，因此激光導航的精度更高，測量的距離 更遠且分辨率更好，但是成本相對較高。 激光導航主要通過激發(fā)發(fā)射器發(fā)射激光， 經(jīng)由被測物體發(fā)射后由機器人攜帶的激光接收器接收， 得出機器人的位置與方向0 24 衛(wèi)星導航衛(wèi)星導航最開始應(yīng)用于軍事領(lǐng)域， 通過給機器人安裝衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)， 利 用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)提供的位置、速度、時間等信息來完成導航0之后，民用衛(wèi) 星導航的精度逐漸得到提高， 而衛(wèi)星導航不受地形，

10、 環(huán)境等的影響， 可提供全球 性的導航， 因此衛(wèi)星導航的應(yīng)用范圍較廣， 但導航精度不高0 由于衛(wèi)星探測并不能穿透建筑物，衛(wèi)星導航無法進行室內(nèi)導航，通常需要其他方式協(xié)助。Hada等實現(xiàn)了一個室內(nèi)GPS系統(tǒng)逐漸被學者們所關(guān)注，視覺信息量巨大，獲得的仿照GPS的工作原理，利用分布在室內(nèi)各處的攝像機,(iGPS) 0 iGPS導航系統(tǒng)因其精度高，實時性好等優(yōu)點, 并越來越多地應(yīng)用于移動機器人導航中025 視覺導航人類從外界獲取的信息約有 80%是由視覺獲取的， 信息全面且利用率高。 而研究人類視覺的原理并將此應(yīng)用于機器人系統(tǒng)中是人們不斷追求和探索的目標。 如今，機器視覺技術(shù)已廣泛應(yīng)用于移動機器人導航系

11、統(tǒng)。視覺導航主要通過在機器人上裝載攝像機， 獲取機器人周圍環(huán)境的視覺信息， 通 過圖像處理完成障礙物以及路標的識別， 得到導航參數(shù)并完成導航。 也有學者將 攝像機安裝在機器人工作區(qū)域完成導航， 這種方法可以實時獲得機器人在工作區(qū) 域的全局方位，但只適用于移動機器人室內(nèi)導航。視覺導航因其獲取信息完整， 定位精度高， 智能化水平高等優(yōu)點， 在移動機器人的應(yīng)用上有諸多優(yōu)勢， 但其也 存在不足，比如，視覺導航需要處理的信息量較大，且遠距離導航的精度較低， 這就需要通過改進視覺導航相關(guān)算法或?qū)⒁曈X導航與其他導航方式結(jié)合來改善?？偨Y(jié)導航技術(shù)是移動機器人開發(fā)過程中涉及的核心關(guān)鍵技術(shù)， 其研究進展也推動 著移動機器人的發(fā)展。通過綜述其優(yōu)、缺點可以看出，這些技術(shù)均存在局限性， 有一定的適用范圍，應(yīng)結(jié)合具體的工作環(huán)境以及任務(wù)要求進行選擇。隨著計