2111503057萬(wàn)宇-機(jī)器人導(dǎo)論讀書報(bào)告

1、訛匕工工g*孝移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)姓名萬(wàn)宇 學(xué)號(hào) 2111503057專業(yè)控制科學(xué)與控制工程學(xué)院信息學(xué)院引言移動(dòng)機(jī)器人是多個(gè)系統(tǒng)的綜合體， 其中包括控制與制導(dǎo)， 路徑規(guī)劃， 信息與 通信等多個(gè)領(lǐng)域的最新內(nèi)容是當(dāng)前理論研究和實(shí)際應(yīng)用最為活躍的領(lǐng)域之一。 近 年來(lái)，機(jī)器人的種類不斷擴(kuò)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(kuò)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(jiàn)機(jī)器人導(dǎo)航方式有基于慣性器件的慣 性導(dǎo)航、基于環(huán)境圖像的視覺(jué)導(dǎo)航、 基于衛(wèi)星的導(dǎo)航、 基于磁感應(yīng)傳感器的磁導(dǎo) 航以及基于激光雷達(dá)的激光導(dǎo)航等多種技術(shù)。1 國(guó)

2、內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展動(dòng)態(tài)國(guó)外在移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究方面起步較早， 在企業(yè)界和學(xué)術(shù)界均已取得很多 成果。國(guó)外機(jī)器人企業(yè)在移動(dòng)機(jī)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(jī)器人主要使用視覺(jué)導(dǎo)航及超聲波導(dǎo)航技術(shù)， 通過(guò)視覺(jué) 傳感器與超聲波傳感器進(jìn)行定位， 并捕捉來(lái)向人群的行動(dòng)路線進(jìn)行局部路徑規(guī)劃， 進(jìn)而出色地完成智能導(dǎo)游的任務(wù)。 IntuitiveSurgical 公司于 1999年首次發(fā)布 daVin-ci 外科手術(shù)機(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)導(dǎo)航完成三維定位，協(xié)助醫(yī)生完 成手術(shù)；波士頓動(dòng)力公司于2005年推出首款BigDog四足大狗機(jī)器人，該機(jī)器人 能夠通過(guò)立體視覺(jué)

3、完成路面識(shí)別以及自身定位， 通過(guò)激光傳感器感應(yīng)引路人的位 置，慣性系統(tǒng)達(dá)到姿態(tài)穩(wěn)定， 同時(shí)利用構(gòu)建消耗地圖實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)器人通過(guò)紅外傳感器進(jìn)行定 位以及路徑規(guī)劃，完成清掃房間的任務(wù)。我國(guó)在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的研究起步較晚， 但是也開(kāi)始嶄露頭角， 如中國(guó)科學(xué) 技術(shù)大學(xué)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的“可佳”可以與人進(jìn)行簡(jiǎn)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(dǎo)航任務(wù) ； 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010年開(kāi)發(fā)研制的智能 移動(dòng)機(jī)器人可以為病人倒水喂藥、 與病人進(jìn)行簡(jiǎn)單的交流、 唱歌跳舞。 上海交大 開(kāi)發(fā)了一個(gè)餐廳服務(wù)機(jī)器人， 利用雙目視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行

4、精確定位， 確保機(jī)器人能夠 準(zhǔn)確抓取餐盤。從以上國(guó)內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀可以看出， 導(dǎo)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(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)功能的保障， 新型移動(dòng)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)必須 根據(jù)其功能選擇適合的導(dǎo)航技術(shù)，并設(shè)計(jì)合理可行的導(dǎo)航系統(tǒng)。2 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀以上所述移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀表明， 導(dǎo)航技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)一步智能化 和得以廣泛應(yīng)用所需要突破的技術(shù)難點(diǎn)，因此下面對(duì)導(dǎo)航技術(shù)的相關(guān)動(dòng)態(tài)進(jìn)行全面的總結(jié)。 目前，應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)多種多樣， 其中最常用的 主要有磁導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、傳感器導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航。21 磁導(dǎo)航目前，移動(dòng)機(jī)器人磁導(dǎo)航主要通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn) : 在

5、行駛路線下埋設(shè)能夠產(chǎn) 生磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu) （ 如可通電導(dǎo)線或磁鐵 ） ，通過(guò)機(jī)器人上安裝的磁傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)， 并引導(dǎo)機(jī)器人按照預(yù)定軌道行駛進(jìn)行導(dǎo)航。 該方法抗干擾能力強(qiáng)， 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(wú)法 對(duì)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(jiǎn)單， 精 度要求高， 可靠性好的移動(dòng)機(jī)器人中。 另外，有學(xué)者希望根據(jù)觀測(cè)每個(gè)方位磁場(chǎng) 的顯著變化進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航， 并對(duì)此展開(kāi)了深入研究。 一種是基于實(shí)際數(shù)據(jù) 的地圖匹配方案， 假設(shè)基于室內(nèi)磁場(chǎng)的地圖已經(jīng)創(chuàng)建完成， 將磁場(chǎng)測(cè)量裝置測(cè)得 的數(shù)據(jù)與地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配得到具體的方位值 ;

6、一種是引導(dǎo) -跟隨方案，指引車在 室內(nèi)穿梭， 并不斷地測(cè)量磁場(chǎng)值， 同時(shí)將觀測(cè)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(dòng)機(jī)器人周圍的環(huán)境，建是至關(guān)重要的，且導(dǎo)航精度較高。 對(duì)于這樣一種導(dǎo)航方案， 前期的磁場(chǎng)地圖創(chuàng)進(jìn)而提高導(dǎo)航精度。學(xué)者們對(duì)于這一關(guān)鍵步驟進(jìn)行了進(jìn)一步的探討， 力求得到更好 的地圖創(chuàng)建方法，22 慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航最初主要應(yīng)用于航空宇航領(lǐng)域， 該導(dǎo)航系統(tǒng)分為平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)和 捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)兩類， 平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)存在一個(gè)物理平臺(tái)， 慣性元件安裝在物理 平臺(tái)上測(cè)量平臺(tái)相對(duì)于慣性空間的角速度與加速度 ; 捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)采用數(shù)字式

7、 平臺(tái)替代了傳統(tǒng)的物理平臺(tái)， 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(jì)和陀螺儀 ） 來(lái)測(cè)量機(jī)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(guò)積分和運(yùn)算得到速度、位置、姿態(tài)等參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到機(jī)器人自主 導(dǎo)航的目的。該導(dǎo)航技術(shù)隱蔽性好， 不易受外界干擾。 但導(dǎo)航定位精度會(huì)隨著機(jī) 器人所走航程的增加而下降，且誤差會(huì)累積，通常需要進(jìn)行誤差修正。因此，慣性導(dǎo)航技術(shù)多用于短期導(dǎo)航或與其他導(dǎo)航方式相結(jié)合的組合式導(dǎo)航。23 傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)航傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)航通過(guò)非視覺(jué)傳感器進(jìn)行定位導(dǎo)航， 常用的傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)航技 術(shù)有紅外導(dǎo)航，超聲導(dǎo)航和激光導(dǎo)航。紅外導(dǎo)航利用紅外傳感器進(jìn)行距離測(cè)量，

8、判斷機(jī)器人在環(huán)境中的位置。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dǎo)航方法是將紅外線發(fā)射器與紅外線接收器安裝在機(jī)器 人上，通過(guò)發(fā)射器發(fā)射紅外線， 反射后由接收器接收， 得到機(jī)器人與物體之間的 距離，判斷機(jī)器人所處的位置。超聲導(dǎo)航是應(yīng)用最為廣泛的傳感器導(dǎo)航技術(shù)， 通過(guò)超聲傳感器實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量 進(jìn)而完成導(dǎo)航，該方法成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不受光線影響，但易受物體表面形狀影響而降低導(dǎo)航精度且無(wú)法探測(cè)遠(yuǎn)距離物體0 超聲導(dǎo)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(cè)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(shí)間差確定機(jī)器人與被測(cè)物體之間的距離， 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人

9、導(dǎo)航0 然而 超聲傳感器存在很大的波束角， 無(wú)法準(zhǔn)確判斷機(jī)器人的方向， 這也影響了機(jī)器人的導(dǎo)航精度0激光導(dǎo)航通過(guò)激光傳感器測(cè)距， 原理與紅外導(dǎo)航和超聲導(dǎo)航基本相同， 但是激光信號(hào)能量密度大，亮度高，顏色純，因此激光導(dǎo)航的精度更高，測(cè)量的距離 更遠(yuǎn)且分辨率更好，但是成本相對(duì)較高。 激光導(dǎo)航主要通過(guò)激發(fā)發(fā)射器發(fā)射激光， 經(jīng)由被測(cè)物體發(fā)射后由機(jī)器人攜帶的激光接收器接收， 得出機(jī)器人的位置與方向0 24 衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航最開(kāi)始應(yīng)用于軍事領(lǐng)域， 通過(guò)給機(jī)器人安裝衛(wèi)星信號(hào)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(shí)間等信息來(lái)完成導(dǎo)航0之后，民用衛(wèi) 星導(dǎo)航的精度逐漸得到提高， 而衛(wèi)星導(dǎo)航不受地形，

10、 環(huán)境等的影響， 可提供全球 性的導(dǎo)航， 因此衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用范圍較廣， 但導(dǎo)航精度不高0 由于衛(wèi)星探測(cè)并不能穿透建筑物，衛(wèi)星導(dǎo)航無(wú)法進(jìn)行室內(nèi)導(dǎo)航，通常需要其他方式協(xié)助。Hada等實(shí)現(xiàn)了一個(gè)室內(nèi)GPS系統(tǒng)逐漸被學(xué)者們所關(guān)注，視覺(jué)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(jī),(iGPS) 0 iGPS導(dǎo)航系統(tǒng)因其精度高，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn), 并越來(lái)越多地應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中025 視覺(jué)導(dǎo)航人類從外界獲取的信息約有 80%是由視覺(jué)獲取的， 信息全面且利用率高。 而研究人類視覺(jué)的原理并將此應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)中是人們不斷追求和探索的目標(biāo)。 如今，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系

11、統(tǒng)。視覺(jué)導(dǎo)航主要通過(guò)在機(jī)器人上裝載攝像機(jī)， 獲取機(jī)器人周圍環(huán)境的視覺(jué)信息， 通 過(guò)圖像處理完成障礙物以及路標(biāo)的識(shí)別， 得到導(dǎo)航參數(shù)并完成導(dǎo)航。 也有學(xué)者將 攝像機(jī)安裝在機(jī)器人工作區(qū)域完成導(dǎo)航， 這種方法可以實(shí)時(shí)獲得機(jī)器人在工作區(qū) 域的全局方位，但只適用于移動(dòng)機(jī)器人室內(nèi)導(dǎo)航。視覺(jué)導(dǎo)航因其獲取信息完整， 定位精度高， 智能化水平高等優(yōu)點(diǎn)， 在移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用上有諸多優(yōu)勢(shì)， 但其也 存在不足，比如，視覺(jué)導(dǎo)航需要處理的信息量較大，且遠(yuǎn)距離導(dǎo)航的精度較低， 這就需要通過(guò)改進(jìn)視覺(jué)導(dǎo)航相關(guān)算法或?qū)⒁曈X(jué)導(dǎo)航與其他導(dǎo)航方式結(jié)合來(lái)改善?？偨Y(jié)導(dǎo)航技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)發(fā)過(guò)程中涉及的核心關(guān)鍵技術(shù)， 其研究進(jìn)展也推動(dòng) 著移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展。通過(guò)綜述其優(yōu)、缺點(diǎn)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(jìn)行選擇。隨著計(jì)