未知環(huán)境下機器人的自主導(dǎo)航

未知環(huán)境下機器人的自主導(dǎo)航導(dǎo)師：學(xué)科前沿講座主講：難點背景移動機器人，是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。它集中了傳感器技術(shù)、信息處理、電子工程、計算機工程、自動化控制工程以及人工智能等多學(xué)科的研究成果，代表機電一體化的最高成就，是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。意義

隨著機器人性能不斷地完善，移動機器人的應(yīng)用范圍大為擴展，不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，而且在城市安全、國防和空間探測領(lǐng)域等有害與危險場合得到很好的應(yīng)用。因此，移動機器人技術(shù)已經(jīng)得到世界各國的普遍關(guān)注。環(huán)境建模與路徑規(guī)劃的改進?

納米蜂鳥”無人機

身手最矯捷的空中間諜“納米蜂鳥”無人機的翅膀像紙一樣纖薄，每秒鐘能拍打20~40次。通過改變“翅膀”的角度和形狀對飛行姿態(tài)進行調(diào)整，它在空中的盤旋時間能超過11分鐘?！凹{米蜂鳥”身形小巧，能從窗戶或其他小開口穿過；它身體“強壯”，能夠攜帶麥克風(fēng)或照相機；它在空中十分穩(wěn)定，即使在強風(fēng)中也具有良好的操控性?！犊萍夹聲r代》2011最佳科技成果今天的便攜式無人機能在幾分鐘之內(nèi)完成組裝并發(fā)射，但在緊急情況下幾分鐘仍嫌太長。RocketLab的迷你無人機能將組裝和發(fā)射準備時間縮短到20秒。這種長20厘米、重量不到0.5千克的無人機靠火箭提供動力，只要按下一個按鈕就能實現(xiàn)發(fā)射。在空中，攜帶著500萬像素數(shù)碼相機的迷你無人機能在750米高處對地面進行120秒的偵查，并通過Wi-Fi將加密的圖像傳送到士兵的手機或筆記本電腦。在落地后，無人機會立即自行焚毀?！犊萍夹聲r代》2011最佳科技成果探測危險物質(zhì)的機器人，尤其是那些探測化學(xué)物質(zhì)的機器人，通常都又大又笨拙，而CobhamteleMAXEOD/NBC機器人卻是個例外。它小巧到足以放到一輛SUV的后排空間，甚至能通過飛機機艙的過道。但是它的機械臂卻能伸到2.5米之外，探測化學(xué)、生物和放射性物質(zhì)。它那靈巧的機械手能使用鑷子、棉簽、勺子和其他設(shè)備來收集樣本，并將樣本儲存到隨身攜帶的5個罐子里。另外，整合在一起的12個核－生化物質(zhì)傳感器能直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制人員那里?！犊萍夹聲r代》2011最佳科技成果ScoutXT機器人可以被扔進任何環(huán)境里—扔進窗戶、在樓梯上翻滾，或是扔進水坑。它可實現(xiàn)遠程遙控，并將實時視頻傳送到控制者那里。它的設(shè)計者ReconRobotics公司甚至還在開發(fā)一種反海盜的磁性版本—一旦有船只被海盜劫持，救援人員就能將機器人發(fā)射到被劫持的船只上，它會利用磁性粘在船舷上，然后再從船舷翻到甲板上?！犊萍夹聲r代》2011最佳科技成果來自日本的一款名為MurataBoy的平衡機器人可以通過內(nèi)置的多個感應(yīng)器配合智能調(diào)節(jié)裝置保持機器人近乎完美的平衡狀態(tài)，甚至在完全靜止的時候都可以紋絲不動。前置的超聲感應(yīng)裝置還可以讓機器人在遇到無法逾越的障礙物時自動停止，避免事故的發(fā)生。《科技新時代》2011最佳科技成果?

移動機器人是一種在復(fù)雜的環(huán)境下工作的具有自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力的機器人。?

在移動機器人的相關(guān)技術(shù)研究中，導(dǎo)航技術(shù)可以說是其核心技術(shù)，也是其實現(xiàn)真正的智能化和完全的自主移動的關(guān)鍵技術(shù)。?

導(dǎo)航研究的目標(biāo)就是沒有人的干預(yù)下使機器人有目的地移動并完成特定任務(wù)，進行特定操作。機器人通過裝配的信息獲取手段，獲得外部環(huán)境信息，實現(xiàn)自我定位，判定自身狀態(tài)，規(guī)劃并執(zhí)行下一步的動作。機器人導(dǎo)航方式慣性導(dǎo)航視覺導(dǎo)航基于傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航是一種最基本的導(dǎo)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(dāng)前的位置和下一步的目的地。顯而易見，隨著機器人航程的增長，定位的精度就會下降，而定位誤差將會無限制地增加。為減少這種誤差，以及降低光電編碼器等數(shù)據(jù)的噪聲，Kalman濾波器在此可有用武之地。視覺導(dǎo)航

由于計算機視覺理論及算法的發(fā)展，視覺導(dǎo)航成為導(dǎo)航技術(shù)中的一個重要發(fā)展方向。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(shù)，如特征識別、距離估計等，進行機器人定位及規(guī)劃下一步的動作。利用Fourier變換處理機器人全方位圖像，并將關(guān)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(dāng)前位置?；趥鞲衅鲾?shù)據(jù)導(dǎo)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。利用這些傳感器可以實現(xiàn)機器人導(dǎo)航。一種用于移動機器人的超聲波導(dǎo)航系統(tǒng)，將超聲數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)結(jié)合，通過事先訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測障礙物的可能位置，從而使得機器人能夠在動態(tài)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中實現(xiàn)自主導(dǎo)航。衛(wèi)星導(dǎo)航

GPS全球定位系統(tǒng)是以距離作為基本的觀測量，通過對四顆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，無論其在室內(nèi)還是在室外。機器人路徑規(guī)劃機器人體系結(jié)構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)融合機器人導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)機器人定位與地圖構(gòu)建機器人定位技術(shù)

機器人技術(shù)中定位技術(shù)是非常關(guān)鍵的技術(shù)，機器人技術(shù)是基于定位技術(shù)的，如果沒有定位技術(shù)，機器人的許多功能就無法實現(xiàn)。有關(guān)位置的測量，可分為兩大類：相對和絕對位置測量。使用的方法可分為七種：里程計、慣性導(dǎo)航、磁羅盤、主動燈塔、全球定位系統(tǒng)、路標(biāo)導(dǎo)航和地圖模型匹配。其中：里程計具有較好的短期精度、便宜、較高的采樣速率，故廣泛使用。機器人路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃是指,在具有障礙物的環(huán)境中,按照一定的評價標(biāo)準,尋找一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的無碰撞路徑。目前，研究中通常有遺傳算法，蟻群算法等，這些算法都是模仿自然界的生存法則，優(yōu)勝劣汰，從而最終得到滿意的路徑結(jié)果。機器人的體系結(jié)構(gòu)

機器人作為一種人工系統(tǒng)，實際上是對自然和人的一種模擬。機器人由機械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成。這三大部分進而可以分為驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人與環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。機器人應(yīng)用中的傳感器

機器人傳感器在機器人的控制中起了非常重要的作用，正因為有了傳感器，機器人才具備了類似人類的知覺功能和反應(yīng)能力。內(nèi)部傳感器：用來檢測機器人本身狀態(tài)（如手臂間角度）的傳感器。多為檢測位置和角度的傳感器。外部傳感器：用來檢測機器人所處環(huán)境（如是什么物體，離物體的距離有多遠等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。具體有物體識別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器等。機器人導(dǎo)航的發(fā)展展望

移動機器人技術(shù)是傳感技術(shù)、控制技術(shù)、信息處理技術(shù)、機械加工技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)等多門技術(shù)的結(jié)合。因此對于移動機器人的發(fā)展也必然建立在這些技術(shù)的高速發(fā)展之上的。對于移動機器人導(dǎo)航的研究應(yīng)該從以下幾個方面著手:機器人導(dǎo)航的發(fā)展展望(2)

高效的信息處理技術(shù)(3)

多傳感器的信息融合技術(shù)(4)

智能方法的發(fā)展與完善導(dǎo)航的研究(1)

先進的傳感技術(shù)機器人導(dǎo)航的發(fā)展展望

(1)先進的傳感技術(shù)傳感器相當(dāng)于移動機器人的感覺器官，只有先進的傳感器技術(shù)才能有效的采集環(huán)境信息，從而提高導(dǎo)航的效率和準確性。機器人導(dǎo)航的發(fā)展展望

(2)高效的信息處理技術(shù)

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(shù)，圖像處理與模式識別技術(shù)等。由于目前移動機器人的導(dǎo)航大都采用基于視覺或有視覺參與的導(dǎo)航技術(shù)，因此計算機視覺和圖像處理技術(shù)的水平對于移動機器人導(dǎo)航的發(fā)展將起到至關(guān)重要的作用。機器人導(dǎo)航的發(fā)展展望

(3)多傳感器的信息融合技術(shù)

多傳感器的導(dǎo)航方式是移動機器人導(dǎo)航發(fā)展的必然趨勢。這種多傳感器的信息融合技術(shù)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(dǎo)航精度，同時也使整個導(dǎo)航系統(tǒng)具有了較高的魯棒性。機器人導(dǎo)航的發(fā)展展望

(4)智能方法的發(fā)展與完善

目前在移動機器人導(dǎo)航中，智能方法的應(yīng)用是一個重要的發(fā)展方向。但目前智