移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用的三大關(guān)鍵技術(shù)

在機(jī)器人領(lǐng)域所要研究的問(wèn)題非常多，會(huì)涉及到計(jì)算機(jī)、傳感器、人機(jī)交互、防生學(xué)等多個(gè)學(xué)科，其中環(huán)境感知、自主定位和運(yùn)動(dòng)控制是機(jī)器人技術(shù)的三大重點(diǎn)問(wèn)題，以下將針對(duì)這三點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)探討。

環(huán)境感知

目前，在機(jī)器人室內(nèi)環(huán)境中，以激光雷達(dá)為主，并借助其他傳感器的移動(dòng)機(jī)器人自主環(huán)境感知技術(shù)已相對(duì)成熟，而在室外應(yīng)用中，由于環(huán)境的多變性及光照變化等影響，環(huán)境感知的任務(wù)相對(duì)復(fù)雜的多，對(duì)實(shí)時(shí)性要求更高，使得多傳感器融合成為機(jī)器人環(huán)境感知面臨的重大技術(shù)任務(wù)。

利用單一傳感器進(jìn)行環(huán)境感知大多都有其難以克服的弱點(diǎn)，但將多傳感器有效融合，通過(guò)對(duì)不同傳感器的信息冗余、互補(bǔ)，幾乎能使機(jī)器人覆蓋所有的空間檢測(cè)，全方位提升機(jī)器人的感知能力，因此利用激光雷達(dá)傳感器，結(jié)合超聲波、深度攝像頭、防跌落等傳感器獲取距離信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)周?chē)h(huán)境的感知成為各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

使用多傳感器構(gòu)成環(huán)境感知技術(shù)可帶來(lái)多源信息的同步、匹配和通信等問(wèn)題，需要研究解決多傳感器跨模態(tài)跨尺度信息配準(zhǔn)和融合的方法及技術(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用中，并不是所使用的傳感器種類(lèi)越多越好。針對(duì)不同環(huán)境中機(jī)器人的具體應(yīng)用，需要考慮各傳感器數(shù)據(jù)的有效性、計(jì)算的實(shí)時(shí)性。

自主定位

移動(dòng)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自主行走，定位也是其需要掌握的核心技術(shù)之一，目前GPS在全局定位上已能提供較高精度，但GPS具有一定的局限性，在室內(nèi)環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)GPS信號(hào)弱等情況，容易導(dǎo)致位置的丟失。

近年來(lái)，SLAM技術(shù)發(fā)展迅速，提高了移動(dòng)機(jī)器人的定位及地圖創(chuàng)建能力，SLAM 是同步定位與地圖構(gòu)建 (Simultaneous Localization And Mapping) 的縮寫(xiě)，最早是由 Hugh Durrant-Whyte 和 John J.Leonard 在1988年提出的。SLAM與其說(shuō)是一個(gè)算法不如說(shuō)它是一個(gè)概念更為貼切，它被定義為解決“機(jī)器人從未知環(huán)境的未知地點(diǎn)出發(fā)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)重復(fù)觀測(cè)到的地圖特征（比如，墻角，柱子等）定位自身位置和姿態(tài)，再根據(jù)自身位置增量式的構(gòu)建地圖，從而達(dá)到同時(shí)定位和地圖構(gòu)建的目”的問(wèn)題方法的統(tǒng)稱(chēng)。

路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃技術(shù)也是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則（如工作代價(jià)最小、行走路線最短、行走時(shí)間最短等），在機(jī)器人工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)、可以避開(kāi)障礙物的最優(yōu)路徑。根據(jù)對(duì)環(huán)境信息的掌握程度不同，機(jī)器人路徑規(guī)劃可分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。

全局路徑規(guī)劃是在已知的環(huán)境中，給機(jī)器人規(guī)劃一條路徑，路徑規(guī)劃的精度取決于環(huán)境獲取的準(zhǔn)確度，全局路徑規(guī)劃可以找到最優(yōu)解，但是需要預(yù)先知道環(huán)境的準(zhǔn)確信息，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化，如出現(xiàn)未知障礙物時(shí)，該方法就無(wú)能為力了。它是一種事前規(guī)劃，因此對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算能力要求不高，雖然規(guī)劃結(jié)果是全局的、較優(yōu)的，但是對(duì)環(huán)境模型的錯(cuò)誤及噪聲魯棒性差。

而局部路徑規(guī)劃則環(huán)境信息完全未知或有部分可知，側(cè)重于考慮機(jī)器人當(dāng)前的局部環(huán)境信息，讓機(jī)器人具有良好的避障能力，通過(guò)傳感器對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，以獲取障礙物的位置和幾何性質(zhì)等信息，這種規(guī)劃需要搜集環(huán)境數(shù)據(jù)，并且對(duì)該環(huán)境模型的動(dòng)態(tài)更新能夠隨時(shí)進(jìn)行校正，局部規(guī)劃方法將對(duì)環(huán)境的建模與搜索融為一體，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有高速的信息處理能力和計(jì)算能力，對(duì)環(huán)境誤差和噪聲有較高的魯棒性，能對(duì)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和校正，但是由于缺乏全局環(huán)境信息，所以規(guī)劃結(jié)果有可能不是最優(yōu)的，甚至可能找不到正確路徑或完整路徑。

全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，很多適用于全局路徑規(guī)劃的方法經(jīng)過(guò)改進(jìn)也可以用于局部路徑規(guī)劃，而適用于局部路徑規(guī)劃的方法同樣經(jīng)過(guò)改進(jìn)后也可適用于全局路徑規(guī)劃。兩者協(xié)同工作，機(jī)器人可更好的規(guī)劃從起始點(diǎn)到終點(diǎn)的行走路徑。

為解決機(jī)器人自主行走難題，國(guó)內(nèi)針對(duì)環(huán)境感知、自主定位及路徑規(guī)劃等技術(shù)進(jìn)行研究的企業(yè)不在少數(shù)，國(guó)內(nèi)思嵐科技作為機(jī)器人定位導(dǎo)航技術(shù)之首，在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主行走中已有較為成熟的產(chǎn)品，例如可幫助企業(yè)降低研發(fā)成本的Apollo，Apollo機(jī)器人底盤(pán)搭載了激光測(cè)距傳感器、超聲波傳感器、防跌落等傳感器。并在底盤(pán)之上配置深度攝像頭傳感器。同時(shí)配合自主研發(fā)的SLAMWARE自主導(dǎo)航定位系統(tǒng)，讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主建圖定位及導(dǎo)航功能。

當(dāng)Apollo處于未知環(huán)境中，無(wú)需對(duì)環(huán)境進(jìn)行修改，利用SharpEdgeTM精細(xì)化構(gòu)圖技術(shù)，構(gòu)建高精度、厘米級(jí)別地圖，具備超高分辨率，不存在誤差累加。同時(shí)利用D*動(dòng)態(tài)即時(shí)路徑規(guī)劃算法尋找路徑并移動(dòng)到指定地點(diǎn)，無(wú)需二次優(yōu)化修飾，可直接滿(mǎn)足人們的使用預(yù)期。

除此之外，基于純軟件方式，無(wú)需額外進(jìn)行輔助鋪設(shè)，可對(duì)Apollo進(jìn)行預(yù)定路線設(shè)置，或通過(guò)設(shè)置虛擬墻及虛擬軌道阻止Apollo進(jìn)入某個(gè)工作禁區(qū)。在工作過(guò)程中當(dāng)Apollo出現(xiàn)電量過(guò)低的情況時(shí)，可支持可外部調(diào)度的預(yù)約式充電自主導(dǎo)航定位，自動(dòng)返回充電塢充電。

另外，Apollo的擴(kuò)展接口還集成了網(wǎng)口，供電接口和各種控制接口，以便用戶(hù)快速進(jìn)行開(kāi)發(fā)擴(kuò)展。Apollo可通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)或WIFI與外部通信，其本身自帶的電池可為自身與外接的擴(kuò)展模塊供電，用戶(hù)可通過(guò)各種控制接口對(duì)整個(gè)Apollo及其上層擴(kuò)展模塊進(jìn)行控制。

總之，近年來(lái)各國(guó)政府都非常重視機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，并投入了大量的資源激發(fā)機(jī)器人企業(yè)不斷創(chuàng)新、開(kāi)拓進(jìn)取，相信未來(lái)，機(jī)器人也將成為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾粏T，引領(lǐng)人們走向更便捷的時(shí)代！