移動(dòng)機(jī)器人定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1、移動(dòng)機(jī)器人定位 - 傳感器和技術(shù)摘要確切的了解車輛的位置是移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用的一個(gè)基本問(wèn)題。 在尋找解決方案時(shí)， 研究人員和工程師們已經(jīng)開發(fā)出不同的移動(dòng)機(jī)器人定位系統(tǒng)、 傳感器以及技術(shù)。 本文綜述了移動(dòng)機(jī)器人定位相關(guān)技術(shù)，總結(jié)了七種定位系統(tǒng)：1. 里程法； 2. 慣性導(dǎo)航； 3. 磁羅盤； 4. 主動(dòng)引導(dǎo)；5. 全球定位系統(tǒng)； 6. 地標(biāo)式導(dǎo)航和 7. 模型匹配。討論了各自的特點(diǎn)，并給出了現(xiàn)有技術(shù)的例子。移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)正在蓬勃發(fā)展， 正在開發(fā)更多的系統(tǒng)和概念。 因?yàn)檫@個(gè)原因， 本文給出的各種例子只代表各自的種類， 不表示作者的傾向。 在文獻(xiàn)上可以發(fā)現(xiàn)許多巧妙的方法，只是限于篇幅，本文不能引用。

2、1。介紹摘要概述了該技術(shù)在傳感器、 系統(tǒng)、方法和技術(shù)的目標(biāo)， 就是在一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境中被找到。 在測(cè)量文獻(xiàn)中討論這個(gè)問(wèn)題， 很明顯，不同方法的基準(zhǔn)比較是困難的，因?yàn)槿狈J(rèn)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)的比較。使用的研究平臺(tái)大不相同，用于不同的方法的關(guān)鍵假設(shè)也大不相同。 再進(jìn)一步，困難源自事實(shí)上不同的系統(tǒng)是處在其發(fā)展的不同階段。例如，一個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)可以商業(yè)化；而另一個(gè)系統(tǒng)，也許有更好的性能， 卻只能實(shí)驗(yàn)室條件下作有限的測(cè)試。 正是由于這些原因， 我們一般避免比較甚至判斷不同系統(tǒng)或技術(shù)的表現(xiàn)。 在這篇文章里，我們也不考慮自動(dòng)引導(dǎo)車 (AGV)。AGV使用磁帶、地下的引導(dǎo)線、或地面上的彩色條紋在作引導(dǎo)。這些

3、小車不能自由設(shè)計(jì)路徑， 不能改變自己的道路， 那樣它們無(wú)法響應(yīng)外部傳感器輸入（如避障）。然而，感興趣的讀者可能會(huì)在 Everett, 1995 找到 AGV引導(dǎo)技術(shù)調(diào)查。也許最重要的移動(dòng)機(jī)器人定位文獻(xiàn)的閱讀結(jié)果， 正是到目前為止， 并沒(méi)有真正完美的解決問(wèn)題的方案。 許多局部的解決辦法大致分為兩組： 絕對(duì)的和相對(duì)的位置測(cè)量。因?yàn)槿狈σ环N完善的方法， 開發(fā)移動(dòng)機(jī)器人通常結(jié)合兩種方法， 從每個(gè)小組選一個(gè)方法。這些方法可以進(jìn)一步分為以下七類 :I ：相對(duì)位置的測(cè)量（也稱為 Dead-reckoning ）1。里程法2。慣性導(dǎo)航II ：絕對(duì)位置測(cè)量（基于參考的系統(tǒng)）3。磁羅盤4。主動(dòng)發(fā)射引導(dǎo)5。全球定位

4、系統(tǒng)6。地標(biāo)式導(dǎo)航7。模型匹配2。傳感器和技術(shù)概述在這部分中，我們將概述應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人定位的傳感器和技術(shù)， 也將給出適用的商用系統(tǒng)的實(shí)例或證據(jù)充分的研究結(jié)果。2.1距離測(cè)量法距離測(cè)量法是目前應(yīng)用最廣泛的移動(dòng)機(jī)器人定位導(dǎo)航方法， 它提供了很好的短期精度，很便宜，并允許非常高的采樣率。然而，它的基本的想法是在整個(gè)時(shí)間里累積增量運(yùn)動(dòng)信息，這樣隨著時(shí)間的推移，不可避免地導(dǎo)致無(wú)限積累誤差。具體地說(shuō)，定位誤差將導(dǎo)致嚴(yán)重的橫向位置誤差，伴隨機(jī)器人的行程， 按比例增加。盡管有這些限制， 大多數(shù)研究人員都認(rèn)同距離測(cè)量是一個(gè)機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)的重要的組成部分。 如果距離測(cè)量精度可以提高的話，導(dǎo)航的任務(wù)可以簡(jiǎn)化。

5、例如 Cox 1991 ，Byrne 等1992 ，Chenavier 和 Crowley1992 ，提出距離測(cè)量數(shù)據(jù)和絕對(duì)位置測(cè)量融合方法，以獲得更可靠的位置估計(jì)。距離測(cè)量法是基于簡(jiǎn)單的等式（見Borenstein等 , 1996a ），當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)數(shù)可以變換成準(zhǔn)確的相對(duì)于地面的直線位移時(shí)，它是精確的。 然而，如因車輪打滑以及其他一些更偶然的原因，輪子旋轉(zhuǎn)可能不是成比例的轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)生的誤差可分為兩類：系統(tǒng)誤差和非系統(tǒng)誤差 Borenstein 和 Feng, 1996 。系統(tǒng)錯(cuò)誤是那些源于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的誤差， 例如輪子直徑的偏差或相對(duì)于理想輪距的不確定性。 非系統(tǒng)誤差是那些來(lái)自地板與

6、車輪間的相互作用， 例如車輪滑動(dòng)或顛簸和裂縫。通常，當(dāng)一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人安裝了里程 / 地標(biāo)混合式的導(dǎo)航系統(tǒng)，環(huán)境中必須放置的地標(biāo)的密度，從經(jīng)驗(yàn)上已經(jīng)決定了基于最壞情況下的系統(tǒng)誤差。一個(gè)或多個(gè)大型非系統(tǒng)誤差發(fā)生時(shí)，這些系統(tǒng)都可能失敗。距離誤差的測(cè)量在移動(dòng)機(jī)器人中， 一個(gè)重要但經(jīng)常遇到的困難是距離誤差的定量測(cè)量。 缺乏明確定量的距離誤差測(cè)量規(guī)導(dǎo)致缺少移動(dòng)平臺(tái)的校準(zhǔn)以及在科學(xué)交流上可比較的距離精度。為了解決這個(gè)問(wèn)題， Borenstein 和 Feng1995 開發(fā)出一種方法，定量測(cè)量系統(tǒng)的距離誤差，以及在一個(gè)有限的程度上的非系統(tǒng)誤差。這個(gè)方法，稱為密歇根大學(xué)基準(zhǔn) （UMBmark），它要求移動(dòng)機(jī)器人

7、預(yù)先編程自動(dòng)跟蹤 4x4 米的正方形和四個(gè)現(xiàn)場(chǎng) 90 度轉(zhuǎn)彎。這個(gè)過(guò)程是要在順時(shí)針?lè)较颍?cw）運(yùn)動(dòng)五次和逆時(shí)針?lè)较颍?ccw）運(yùn)動(dòng) 5 次。由距離法計(jì)算得到的機(jī)器人最后返回的位置與實(shí)際返回位置比較， 將有一個(gè)類似如圖 1 的圖形。圖 1 的結(jié)果可以表達(dá)如下：- 順時(shí)鐘組和反時(shí)鐘組運(yùn)行后的停止位置分布在兩個(gè)完全不同的區(qū)域。- 順時(shí)鐘組或反時(shí)鐘組部的分布是來(lái)自非系統(tǒng)誤差。但是，圖 1 顯示的是未標(biāo)定車輛，運(yùn)行在一個(gè)較為光滑的混凝土地面， 在總測(cè)量誤差中， 系統(tǒng)誤差顯著大于非系統(tǒng)誤差誤。- 順時(shí)鐘組或反時(shí)鐘組運(yùn)行時(shí)不對(duì)稱的重心的結(jié)果來(lái)自兩類系統(tǒng)誤差，統(tǒng)稱為 A類和 B類Borenstein and

8、 Feng, 1996 。A類誤差被定義為定位錯(cuò)誤，它導(dǎo)致減少（或增加）轉(zhuǎn)數(shù)，而不論是哪個(gè)方向正方形運(yùn)動(dòng)。相比之下，B型誤差導(dǎo)致減少（或增加）的轉(zhuǎn)數(shù)，在兩個(gè)方向上的作用是相反的。一個(gè)典型的 A型誤差中輪距的作用是不確定的，而 B型誤差來(lái)源于輪子直徑的不同。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行UMBmark后一個(gè)數(shù)值, 體現(xiàn)了odometric精度 ( 相對(duì)系統(tǒng)誤差) 測(cè)試車輛可以發(fā)現(xiàn)Borenstein峰 ,1996):UMBmark試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,Borenstein峰 (1995 、 1996) 開發(fā)了一種校準(zhǔn)減少系統(tǒng)程序odometry微分傳動(dòng)車輛的錯(cuò)誤。在這個(gè)過(guò)程UMBmark 測(cè)試在進(jìn)行連續(xù)五次, 公約的方向找到

9、 xc.g 。, 連續(xù)波和 xc.g.,公約。從一組方程定義在Borenstein峰,1995; 兩個(gè)校準(zhǔn)常數(shù) 發(fā) 現(xiàn) , 這 些 圖 像 可 以 包 含 在 基 本odometry計(jì) 算 的 機(jī) 器 人 。 應(yīng) 用 該 程 序 幾 個(gè)differential-drive平臺(tái)是一個(gè)不斷減少10 到 20 倍的系統(tǒng)誤差。圖2 所示一個(gè)典型的校準(zhǔn)結(jié)果的會(huì)議。Emax,系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果對(duì)于許多校準(zhǔn)時(shí)段編織的LabMate 機(jī)器人與平均Emax,系統(tǒng) = 330 毫米無(wú)標(biāo)定車輛和Emax,系統(tǒng) = 24 mm 在校準(zhǔn)。非系統(tǒng)測(cè)量誤差Borenstein峰 1995 也提出了一種測(cè)量方法 non-syste

10、matic 錯(cuò)誤。這方法 UMBmark擴(kuò)展 , 可用于比較不同的機(jī)器人在相似的條件, 雖然測(cè)量誤差少non-systematic有用,因?yàn)檫@得視情況而定強(qiáng)烈的在地板上的特點(diǎn)。然而, 使用一套明確的不規(guī)則性和地板年近的平臺(tái)錯(cuò)誤可能Borenstein1995發(fā)展了一種方法非系統(tǒng)性檢測(cè)和拒絕在移動(dòng)機(jī)器人odometry 錯(cuò)誤。這方法 , 兩個(gè)合作平臺(tái)不斷非系統(tǒng)性相互糾正他們odometry( 和一定的制度 ) 錯(cuò)誤 , 即使是在兩個(gè)平臺(tái)上運(yùn)動(dòng)。一個(gè)視頻名為“瓣”展示這一系統(tǒng)的情況下運(yùn)行包括在在文獻(xiàn)Borenstein等問(wèn)題 ,1996 b) 和 Borenstein 1995 v)。一個(gè)商業(yè)版本

11、的機(jī)器人,如圖 3, 現(xiàn)在是可得到的 編織 “ OmniMate 名義下。” , 是因?yàn)樗牟縪dometry誤差修正 ,OmniMate幾乎完全麻木不仁的撞擊 , 裂縫 , 或畸形放在地板上 Borenstein,1995)。2.2 慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航使用陀螺儀與加速度計(jì)分別測(cè)量旋轉(zhuǎn)的速度和加速度。測(cè)量值積分一次（或兩次 , 對(duì)加速度計(jì)）得到位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是獨(dú)立測(cè)量，也就是說(shuō)不需要外部參考。 然而，慣性傳感器數(shù)據(jù)是隨時(shí)間漂移的，因?yàn)樾枰e分速率數(shù)據(jù)才能得到位置；任何一點(diǎn)小小的常數(shù)誤差的增加， 在積分后是不受約束的。當(dāng)超出擴(kuò)展時(shí)間周期，慣性傳感器大多不適合。加速度計(jì)使用加速度計(jì)的測(cè)試結(jié)

12、果對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航一般是不夠的。 來(lái)自密歇根大學(xué)的研究信息發(fā)現(xiàn)，在較低的加速度（即在低的速度轉(zhuǎn)變）下，信噪比很低。加速度計(jì)有著廣泛的漂移， 它們也確實(shí)是對(duì)地面的不平坦敏感， 這是因?yàn)閬?lái)自任何高低不平的地面的干擾將引起重力加速度的一個(gè)分量被檢測(cè)到。 一個(gè)低成本的慣性 導(dǎo) 航 系 統(tǒng) 被 用 來(lái) 克 服 包 括 以 下 傾 斜 傳 感 器 的 問(wèn) 題 Barshan 和 Durrant-Whyte,1993;1995 。傾斜傳感器提供的傾斜信息提供給加速度計(jì)， 以清除在加速度計(jì)的每個(gè)軸上表現(xiàn)出來(lái)的的重力成分。 盡管如此，從傾斜補(bǔ)償系統(tǒng)得到的結(jié)果表明位置漂移率為 1 到 8 厘米 / 秒（ 0.4

13、-3.1 吋 / 秒），這取決于加速度變化的頻率。對(duì)大多數(shù)移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)無(wú)法接受的誤差率。陀螺儀陀螺儀（也稱為“速度陀螺”或者是“陀螺” ）對(duì)機(jī)器人定位是特別重要的，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭a(bǔ)償距離測(cè)量法最重要的弱點(diǎn)： 在一個(gè)基于距離測(cè)量的定位方法里，任何小的瞬間的定位誤差會(huì)導(dǎo)致一個(gè)持續(xù)增加的橫向位置誤差。 因?yàn)檫@個(gè)原因，如果定位誤差能探測(cè)到并立即改正，它將是非常有益的。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用，直到最近，高度精確的陀螺還是太昂貴了。例如，一個(gè)高質(zhì)量的慣性導(dǎo)航系統(tǒng) （INS），如那些在一個(gè)商用飛機(jī)里安裝的，將會(huì)有一個(gè)典型的工作中漂移大約是每小時(shí)1850 米（1 海里），價(jià)格由 5 萬(wàn)到 7

14、萬(wàn)美金（伯，1992）。高端 INS 包用于地面在長(zhǎng)距離行程中優(yōu)于0.1%，但價(jià)格在 10 萬(wàn)美元到20 萬(wàn)美金，而低性能的型號(hào)（即長(zhǎng)距離時(shí)1%）在 2 萬(wàn)至 5 萬(wàn)美元之間 Dahlin和 Krantz,1988 。然而，最近光纖陀螺（也被稱為“激光陀螺” ），具有眾所周知的準(zhǔn)確度，價(jià)格已大幅減少，已成為一個(gè)非常有吸引力的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航解決方案。一個(gè)商業(yè)上可用激光陀螺是安德魯 ANDREW公司的“Autogyro Navigator ”，如圖 4。這是一個(gè)單軸干涉型光纖陀螺 ( 技術(shù)細(xì)節(jié)見 埃弗雷特 ,1995) 。它是基于偏振恒持光纖和精密光纖陀螺技術(shù)。 ANDREW最新型號(hào) Autogy

15、ro Navigator 的技術(shù)規(guī)格見表 1。這種激光陀螺價(jià)格在 1000 美元以下，很適合作移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航。2.3 磁羅盤在（x，y和）中，根據(jù)其影響相對(duì)定位累積誤差情況，車輛航向是最有意義的導(dǎo)航參數(shù)。 因?yàn)檫@個(gè)原因， 一個(gè)測(cè)量航向絕對(duì)值的傳感器在解決自主平臺(tái)導(dǎo)航需求中是極其重要的。 磁羅盤就是這樣一個(gè)傳感器。 任何磁羅盤都有的一個(gè)缺點(diǎn)，就是由于在電線或者鋼結(jié)構(gòu)附近的地球的磁場(chǎng)經(jīng)常被扭曲 Byrne et al., 1992 。使得在室難以直接利用地磁傳感器?；谂c地球磁場(chǎng)相關(guān)的效應(yīng)的不同，可用的不同傳感器有：機(jī)械磁羅盤；磁通門羅盤；霍爾羅盤；磁阻羅盤；磁彈羅盤。最適合用于移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用的是

16、磁通門羅盤。只要保持一定的水平姿態(tài)，磁通門羅盤將測(cè)量地磁場(chǎng)的水平分量， 伴隨而來(lái)的決定性優(yōu)勢(shì)是低功耗、 沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件、容忍沖擊和振動(dòng)、 快速啟動(dòng)以及相對(duì)較低的價(jià)格。 如果想要車輛在非平坦地形下操作，傳感器線圈應(yīng)該安裝在平衡架上， 避免機(jī)械損傷和由地磁場(chǎng)的垂直分量引入的嚴(yán)重的誤差。例如： KVH 磁通門羅盤KVH 工業(yè)公司， Middletown, RI, 提供一個(gè)完整系列的磁通門羅盤和相關(guān)的配件，從廉價(jià)的針對(duì)個(gè)別用戶的單元到專注于軍用的精致復(fù)雜的系統(tǒng) KVH 。圖5中的 C100羅盤引擎是一種通用、低成本的（低于 700美元）的開發(fā)套件，包括一個(gè)微處理器控制的獨(dú)立的磁通門傳感器子系統(tǒng)，是基于

17、2軸環(huán)狀核傳感器。C100 提供兩個(gè)不同的傳感器的選擇 :(1) SE-25 傳感器，推薦應(yīng)用圍傾斜 +-16 度，和 (2) SE-10 傳感器，預(yù)期使用傾角 +-45 度。SE-25 傳感器提供的部引導(dǎo)， 由浮動(dòng)在聚碳酸脂容器里的惰性液體中的傳感器線圈提供。 SE-10 傳感器提供了一個(gè)有 2 級(jí)自由度的平衡，在附加的部液體懸掛中搖擺。 SE-25 傳感器安裝在傳感器 PC板，而 SE-10 懸掛在它的下面。使用一條可選的電纜，該傳感器 PC板可以與可拆卸的電子 PC板分離多達(dá) 122 厘米（48吋）。表 II 給出附加的技術(shù)參數(shù)。2.4 主動(dòng)引導(dǎo)主動(dòng)引導(dǎo)導(dǎo)航系統(tǒng)是船舶和飛機(jī)上最常見的導(dǎo)航

18、方式， 同樣也常用于商業(yè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。主動(dòng)引導(dǎo)能被可靠檢測(cè)到， 能用最小的處理提供精確的定位信息。結(jié)果，這一方式允許高采樣率帶來(lái)高可靠性，但是也導(dǎo)致安裝和維護(hù)的高價(jià)格。主動(dòng)引導(dǎo)的精確安裝要求精確的定位。 2 種不同類型的主動(dòng)引導(dǎo)系統(tǒng)都是很著名的：三邊測(cè)量和三角測(cè)量。三邊測(cè)量三邊測(cè)量法是基于對(duì)已知的主動(dòng)測(cè)量源作距離測(cè)量來(lái)確定車輛的位置。在三邊測(cè)量導(dǎo)航系統(tǒng)常有三個(gè)或更多安裝在環(huán)境中已知位置的發(fā)射器， 而一個(gè)接收器安裝在機(jī)器人平臺(tái)上。 也可以相反， 在機(jī)器人平臺(tái)上安裝一個(gè)發(fā)射器， 而把接收器安裝在墻上。 利用發(fā)射到接收的時(shí)間信息， 系統(tǒng)計(jì)算靜止的發(fā)射器到平臺(tái)上的接收器之間的距離。 在章節(jié) 2.5

19、中討論的全球定位系統(tǒng) （ GPS），就是一個(gè)三邊測(cè)量的例子。三角法在這個(gè)配置中有三個(gè)或更多的主動(dòng)發(fā)射器安裝在已知位置，如圖 6。一個(gè)機(jī)器人平臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)傳感器 “看到”的三個(gè)發(fā)射器的相對(duì)于車輪長(zhǎng)軸的角度是 1、 2 和 3。從這三個(gè)測(cè)量值，可以算出未知 x 和 y- 坐標(biāo)和未知的車輛定位。這一配置的一個(gè)問(wèn)題是為了得到距離， 20 米甚至更長(zhǎng)，主動(dòng)發(fā)射器必須聚焦在一個(gè)錐形的傳播圍。 結(jié)果，光束在許多地區(qū)是不可見的， 問(wèn)題在于光束特別暗淡下也必須保證至少三個(gè)源看得見?？贫鞑┦亢?Koss1992 進(jìn)行了三點(diǎn)三角邊長(zhǎng)的詳細(xì)的分析算法， 計(jì)算機(jī)仿真和驗(yàn)證了不同算法的性能。結(jié)果概括如下：- 只有當(dāng)機(jī)器人在

20、三束光線所形成的三角型時(shí)， 幾何三角法才能工作。 如在此三角形之外時(shí)幾何方法仍奏效， 但這些區(qū)域是很難決定的， 是高度依賴于定義角度。- 當(dāng)三束光和機(jī)器人都在或接近同一個(gè)圓時(shí)，幾何圓交會(huì)法有很大的誤差。- 當(dāng)初始設(shè)想的機(jī)器人的位置與方向超出了一定的圍， Newton-Raphson法行不通。- 至少兩束光的航向需要大于 90度。任意一對(duì)光束的分離角需要大于 45度。- 總之，上述方法中似乎沒(méi)有一個(gè)總是獨(dú)自適合的， 而一個(gè)兩種以上的方法的聰明結(jié)合幫助克服各自弱點(diǎn)。特定三角系統(tǒng)因?yàn)樗麄兊募夹g(shù)成熟和商業(yè)適用性， 光學(xué)三角測(cè)量系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在移動(dòng)機(jī)器人項(xiàng)目中。這些典型的系統(tǒng)包含一些類型的掃描器， 與預(yù)

21、先安置在環(huán)境中指定位置的參考點(diǎn)一起工作。 在實(shí)際中會(huì)有許多變化 埃弗雷特 ,1995):(a) 掃描探測(cè)器與固定光束發(fā)射器； (b) 掃描發(fā)射器 / 探測(cè)器與被動(dòng)反射目標(biāo)； (c) 掃描發(fā)射器 / 探測(cè)器與主動(dòng)應(yīng)答目標(biāo)；還有 (d) 旋轉(zhuǎn)發(fā)射器和固定檢測(cè)目標(biāo)。例如 :MTI 研究 CONAC一個(gè)類似的類型系統(tǒng)使用預(yù)定義的網(wǎng)絡(luò)fixed-location探測(cè)器是由MTI 研究公司、Chelmsford,馬 (MTI) 。 MTI 的電腦 Opto - 電子導(dǎo)航和控制(CONAC)是一個(gè)導(dǎo)航參照系統(tǒng)使用車載激光單元叫做結(jié)構(gòu)化Opto - 電子采集信標(biāo)(STROAB),如圖 7。掃描激光束垂直傳播消

22、除臨界對(duì)齊, 使接收機(jī) , 稱為網(wǎng)絡(luò)化光電采集基準(zhǔn)(NOADs)( 見圖8)安裝在任意高度如圖 9。檢測(cè)的事件觸發(fā)一個(gè)NOAD光明的一個(gè)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)主機(jī)電腦, 從而計(jì)算出隱含的角度1和 2。一個(gè)指標(biāo)納入 STROAB傳感器產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)參考脈沖便于航向測(cè)量。室精度以厘米或毫米 , 比 0.1 o 的標(biāo)題。參考 NOADs被安裝在已知的地點(diǎn)整個(gè)中東地區(qū)的興趣。 STROAB采集圍是三 , 足以讓 NOADS 占地面積 33000 m沒(méi)有干涉結(jié)構(gòu)塊的看法。 另外 NOADS可能被雇用來(lái)增加容錯(cuò)性和減少含糊籠統(tǒng)如果有兩個(gè)或更多的機(jī)器人操作近在咫尺。最優(yōu)組由三個(gè)NOADS進(jìn)行選擇主機(jī)電腦 ,基于當(dāng)前位置的機(jī)

23、器人與任何預(yù)先定義的視覺障礙。一段錄像顯示CONAC夾在操作系統(tǒng)包括在 Borenstein等問(wèn)題 ,1996 b)。2.5 全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng) （ GPS）是一種對(duì)于室外導(dǎo)航革命性的技術(shù)。 GPS是國(guó)防部的一個(gè)聯(lián)合服務(wù)發(fā)展計(jì)劃開發(fā)的。該系統(tǒng)由 24 顆衛(wèi)星（包括三個(gè)備用）發(fā)射射頻信號(hào)的編碼。采用先進(jìn)的三邊測(cè)量方法， 地面接收器可以通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星射頻信號(hào)的傳送時(shí)間來(lái)計(jì)算他們的位置， 其中包括有關(guān)衛(wèi)星瞬間位置。 知曉從地面接收機(jī)到三顆衛(wèi)星的精確距離，理論上就允許計(jì)算接收者的允許計(jì)算緯度、經(jīng)度和高度。美國(guó)政府故意在時(shí)間上和衛(wèi)星位置上加入小誤差以防止某個(gè)敵對(duì)的國(guó)家使用 GPS來(lái)支持精確制導(dǎo)武器投

24、送。 這一故意的位置精度的退化到最差時(shí)大約 100 米（ 328 英尺），稱為選擇性的可用性 (SA) （等問(wèn)題 Gothard 條,1993 條）。沙漠風(fēng)暴行動(dòng)以來(lái)，選擇性的有效性已經(jīng)在不斷（除幾個(gè)例外）結(jié)束。它在1990 年8 月到 1991 年 7 月戰(zhàn)爭(zhēng)中被關(guān)閉，通過(guò)結(jié)合地面軍力以提高商業(yè)手持GPS的接收精度。在另一個(gè)場(chǎng)合（1992 年 10 月）SA也被短暫關(guān)閉，空軍進(jìn)行測(cè)試。伯 1993就在那時(shí)進(jìn)行了測(cè)試，比較了SA打開和關(guān)閉時(shí)的 GPS的準(zhǔn)確性。 GPS誤差的靜態(tài)表明它是時(shí)間的函數(shù)（見圖10），被與 1992 年 10 月以前，也就是 SA開放時(shí)比較（注意圖 10 中的緩慢變化的

25、誤差，稱 SA）。通過(guò)對(duì)比，圖 11 是 SA短暫關(guān)閉時(shí)的測(cè)量值。SA的影響可以通過(guò)使用一種眾所周知的差分 GPS(DGPS)基本上消除了。這個(gè)概念是基于這樣的前提，即與第一個(gè) GPS接收器相當(dāng)接近（例如， 10 公里或 6.2 英里以）的第二個(gè)接收器觀察同一顆衛(wèi)星時(shí)將出現(xiàn)基本相同的誤差效應(yīng)。 如果這第二個(gè)接收器是固定在一個(gè)精確測(cè)量位置， 那就能夠由已知位置的第二個(gè)接收器產(chǎn)生一個(gè)代表在現(xiàn)行條件下該現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)合誤差向量。 差分修正可以然后被傳遞給第一個(gè)接收者消除不需要的影響，有效減少商用系統(tǒng)的位置誤差。很多商用 GPS接收器可提供差分功能。 這一點(diǎn)上，一些當(dāng)?shù)氐碾娕_(tái)可為用戶提供差分修正服務(wù) GPS

26、報(bào)告， 1992 ，使用 DGPS可能有許多應(yīng)用。典型 DGPS精度在 4 到 6 米（ 13 至 20 英尺），使用更好性能的測(cè)量從移動(dòng)接收機(jī)到固定的參考站的距里， 誤差還會(huì)降低。 例如，海岸警衛(wèi)隊(duì)在正在所有美國(guó)主要港口實(shí)施的差分 GPS，預(yù)計(jì)為約 1m（ 3.3 英尺）的準(zhǔn)確性 得到條 ,1993 條 。已經(jīng)運(yùn)行在芝加哥 O'Hare 國(guó)際機(jī)場(chǎng)的一個(gè)差分 GPS系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)標(biāo)明即使是移動(dòng)中的飛機(jī)和服務(wù)車輛，精度 1 米（ 3.3 英尺）。測(cè)量者用差分 GPS可達(dá)到厘米級(jí)的精度，但這種做法要求對(duì)所收集的數(shù)據(jù)作重要的后處理 伯恩 ,1993) 。在1992年和 1993年貝恩雷蒙德 1

27、993 在美國(guó)新墨西哥州 Albuquerque 山迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一系列的深入對(duì)比測(cè)試五種不同的GPS接收器。測(cè)試重點(diǎn)主要集中在接收機(jī)靈敏度， 靜止精度、 動(dòng)態(tài)精度、多衛(wèi)星追蹤和 time-to-first-fix 。更重要的在測(cè)試中作了參數(shù)的評(píng)估， 包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的精度， Magnavox，五個(gè)接收器測(cè)試結(jié)果總結(jié)如下。定位精度靜態(tài)定位精度的測(cè)量是在測(cè)試位置放置 Magnavox GPS引擎接收器采集大約 24 小時(shí)的數(shù)據(jù)。靜態(tài)定位誤差圖表如圖 10。這個(gè)實(shí)驗(yàn)中定位誤差的偏差的平均值和標(biāo)準(zhǔn)值分別為 22 米（ 72 英尺），16 米（ 53 英尺）。信號(hào)的分?jǐn)?shù)有效性動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)是這樣得到

28、的， 在各種不同地形行駛載有設(shè)備的車輛。 選擇的不同路徑，這樣 GPS接收器會(huì)受到各種障礙的影響。 在市開車包括建筑物、 地下通道、招牌、植物。而在典型的山區(qū)和峽谷行駛時(shí)有巖石峭壁和植物。還有，在州際和農(nóng)村高速公路上駕駛會(huì)看到大卡車、 地下通道、公路標(biāo)志、建筑物、植物，還有小峽谷。動(dòng)態(tài)測(cè)試的結(jié)果如圖12；百分比有以下意思：沒(méi)有導(dǎo)航?jīng)]有足夠的衛(wèi)星出現(xiàn)在視野中允許定位。二維導(dǎo)航有足夠的衛(wèi)星出現(xiàn)在視野中來(lái)確定車輛的x- ，y 坐標(biāo)。三維導(dǎo)航最佳數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可以確定車輛的x - ，y -和 z-坐標(biāo)?？傊幸稽c(diǎn)可以斷定， 對(duì)于許多戶外導(dǎo)航任務(wù)， GPS是一個(gè)非常強(qiáng)大的工具。利用 GPS為移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航所

29、帶來(lái)的問(wèn)題是 :(a) 由于植物和丘陵地形產(chǎn)生信號(hào)的周期性堵塞， (b) 多路徑干擾，和 (c) 對(duì)于主要（獨(dú)立）導(dǎo)航系統(tǒng)，位置精度不夠。2.6 地標(biāo)式導(dǎo)航地標(biāo)是一個(gè)機(jī)器人能用它的感官知覺輸入辨認(rèn)出環(huán)境獨(dú)特的特點(diǎn)。 地標(biāo)可以是幾何圖形（例如，矩形，線，園） ，也可能包括另外的信息（例如，條形碼形式）。一般來(lái)說(shuō)，地標(biāo)具有一個(gè)相對(duì)于機(jī)器人自身的，固定的和已知的位置。地標(biāo)都經(jīng)過(guò)精心挑選很容易辨認(rèn)， 例如，相對(duì)于背景必須有足夠的對(duì)比。 在機(jī)器人可以用來(lái)當(dāng)作導(dǎo)航的地標(biāo)之前，地標(biāo)的特點(diǎn)必須被了解和儲(chǔ)存在機(jī)器人的記憶里。定位的主要容是可靠的確認(rèn)地標(biāo)，然后計(jì)算出機(jī)器人的位置。為了簡(jiǎn)化地標(biāo)的獲得，往往是假定當(dāng)前

30、機(jī)器人的位置和方位大約是已知的，所以機(jī)器人只需要在有限的區(qū)域里尋找地標(biāo)。 因?yàn)檫@個(gè)原因， 好的距離測(cè)量精度是成功進(jìn)行地標(biāo)檢測(cè)的先決條件。一些方法介于地標(biāo)和地圖定位 （見 2.7 節(jié)）之間。它們使用傳感器感知環(huán)境，然后提取獨(dú)特的構(gòu)造作為將來(lái)導(dǎo)航的地標(biāo)。在本節(jié)的容中，我們討論兩種類型的被尋找的地標(biāo) : “人為”的和“天然”的地標(biāo)。重要的是要記住， “自然”的地標(biāo)適宜工作在高度結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，如走廊，制造大廳或醫(yī)院。事實(shí)上，一個(gè)證據(jù)是，當(dāng)處于實(shí)際“人為” （如高度結(jié)構(gòu)化的環(huán)境） 時(shí)，“天然” 地標(biāo)工作得好。 因?yàn)檫@個(gè)原因， 我們應(yīng)當(dāng)定義術(shù)語(yǔ) “自然地標(biāo)”和“人工地標(biāo)”如下：天然地標(biāo)是那些總在環(huán)境中的

31、并具有不同于機(jī)器人導(dǎo)航功能的物體或特征； 人造地標(biāo)是專門設(shè)計(jì)的物體或標(biāo)記， 需要被安置在環(huán)境中，唯一的目的是激發(fā)機(jī)器人的導(dǎo)航。自然地標(biāo)自然地標(biāo)導(dǎo)航的主要問(wèn)題是從感覺輸入檢測(cè)和匹配特征量。 這個(gè)任務(wù)中傳感器選擇的是計(jì)算機(jī)視覺。大多數(shù)計(jì)算機(jī)對(duì)自然地標(biāo)的視覺是長(zhǎng)時(shí)間的垂直邊沿，如門、墻縫，和天花板上的燈（看視頻剪輯，編織在 Borenstein等問(wèn)題 ,1996 b ）。當(dāng)距離傳感器用于自然地標(biāo)式的導(dǎo)航， 獨(dú)特的特征，如一個(gè)角落或一條邊緣，或長(zhǎng)直墻等都是不錯(cuò)的候選特征。 選擇的選擇是很重要的， 因?yàn)樗鼘Q定特征描述的復(fù)雜性， 檢測(cè)，和匹配。選擇適當(dāng)?shù)奶卣饕矔?huì)減少歧義的機(jī)會(huì)和增加定位精度。Exampl

32、e: AECL's ARK Project一個(gè)系統(tǒng) , 利用天然的地標(biāo)共同發(fā)展原子能加拿大(AECL)和安大略省水電技術(shù)與從多倫多大學(xué)的支持約克大學(xué) Jenkin等問(wèn)題 ,1993) 。這個(gè)項(xiàng)目針對(duì)發(fā)展中一個(gè)復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)被稱為“機(jī)器人已知環(huán)境” (柜 )。約柜的導(dǎo)航模塊機(jī)器人如圖 13 歲。模塊組成的定制 pan-and-tilt表、 CCD相機(jī) ,眼睛位置和紅外激光測(cè)距。兩VME-based 牌 , 一 single-board計(jì)算機(jī) ,提供一個(gè)單片機(jī)處理能力。這導(dǎo)航模塊被使用在定期地正確機(jī)器人的積累odometry 錯(cuò)誤。這系統(tǒng)采用自然等地標(biāo)字母數(shù)字標(biāo)志、半永久的結(jié)構(gòu), 或是廊

33、子。使用的唯一標(biāo)準(zhǔn)是地標(biāo)是與背景顏色和對(duì)比場(chǎng)景。約柜導(dǎo)航模塊使用一個(gè)有趣的混合方法: 系統(tǒng)商店 (學(xué)習(xí) )地標(biāo)產(chǎn)生三維灰度表面”從一個(gè)單一的培訓(xùn)的形象圖 13: 方舟的自然的地標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)采用 CCD相機(jī)和一個(gè)激光測(cè)距識(shí)別飛行地標(biāo)和測(cè)量之間的距離地標(biāo)和機(jī)器人。 ( 由原子能加拿大的。 )15得到 CCD攝像機(jī)。一個(gè)粗糙的 , 注冊(cè)圍掃描相同的視野被執(zhí)行采用激光測(cè)距儀 , 給予深度的每一個(gè)像素的灰度的表面。兩個(gè)程序從已知的機(jī)器人進(jìn)行位置。后來(lái) , 在運(yùn)行過(guò)程中, 當(dāng)機(jī)器人一個(gè)大約已知 ( 從 odometry) 立場(chǎng)在幾米的訓(xùn)練位置 , 視覺系統(tǒng)尋找這些地標(biāo)是, 希望可以從機(jī)器人的瞬間的位置。 一

34、旦一個(gè)合適的標(biāo)志性的發(fā)現(xiàn) ,在投射的外觀具有里程碑意義的計(jì)算。這將是一個(gè)外表再用于粗規(guī)相關(guān)-基于匹配算法讓機(jī)器人的相對(duì)距離和軸承的問(wèn)題那個(gè)標(biāo)志。這個(gè)過(guò)程可以識(shí)別不同天然地標(biāo)約柜測(cè)定其相對(duì)位置地標(biāo)等等。一個(gè)視頻剪輯顯示柜系統(tǒng)的情況下運(yùn)行包括在Borenstein等問(wèn)題 ,1996 b)2.6.2 Artificial Landmarks檢測(cè)很容易用人造地標(biāo)Atiya 詹娜與 1993,設(shè)計(jì)最優(yōu)的對(duì)比。此外, 準(zhǔn)確的尺寸和外形是人工路標(biāo)提前知道。產(chǎn)量的大小和形狀幾何信息的一種財(cái)富轉(zhuǎn)化在透視投影。研究人員使用各種不同的圖案或標(biāo)志, 并且?guī)缀涡螤畹姆椒ê拖嚓P(guān)技術(shù) Talluri位置估計(jì)會(huì)作相應(yīng)的調(diào)整和

35、Aggarwal,1993 。許多人工具有里程碑意義的定位系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)視覺。我們不會(huì)在討論這些系統(tǒng)的細(xì)節(jié) , 但將會(huì)提及的一些典型的地標(biāo)建筑使用電腦異象。福井 1981用鉆石形的地標(biāo) , 應(yīng)用最小二乘法找到線提取圖像的飛機(jī)。其他系統(tǒng)使用反光材料模式和接二連三的光來(lái)緩解分割和參數(shù)提取Lapin,1992分;Mesaki和 Masuda,1992。也有系統(tǒng) , 該系統(tǒng)使用活性 ( 例如 , 領(lǐng)導(dǎo)的圖案 , 以達(dá)到相同的效果Fleury和男爵條 ,1992 條 。精度達(dá)到上述方法取決于準(zhǔn)確的幾何這個(gè)具有里程碑意義的圖像的參數(shù)提取圖像的飛機(jī) , 這反過(guò)來(lái)要視情況而定在相對(duì)位置及角度, 機(jī)器人與之間

36、的地標(biāo)。一般來(lái)說(shuō), 精度隨相對(duì)距離的增加。通常有一個(gè)圍相對(duì)轉(zhuǎn)角哪個(gè)好準(zhǔn)確度會(huì)得到的結(jié)果, 而精度顯著下降一旦相對(duì)功角嗎移出“好”的地區(qū)。還有各式各樣的地標(biāo)建筑的結(jié)合使用, 與材傳感器。 最常應(yīng)用激光掃描反射鏡貼上條碼。例如 , 工作在移動(dòng)檢測(cè)評(píng)估和響應(yīng)系統(tǒng) (MDARS)埃弗雷特 DeCorte 等問(wèn)題 ,1994分;,1994分; 埃弗雷特 1995使用 retro-reflectors,那么商用系統(tǒng)從毛毛蟲在他們的車輛導(dǎo)向 - 高德等問(wèn)題 ,1990分 ; 伯條 ,1992條 。這些指標(biāo)的形狀通常不要緊。相比之下, 一個(gè)獨(dú)特的方法被風(fēng)丁曉萍。1992用一個(gè)圓形的地標(biāo)應(yīng)用光學(xué)霍夫變換提取橢圓

37、的參數(shù)的形象飛機(jī)實(shí)時(shí)的綜述了 landmark-based導(dǎo)航的特點(diǎn)如下 :自然地標(biāo)提供靈活性和無(wú)需修改環(huán)境。任何人工路標(biāo)物美價(jià)廉 , 能有額外的信息編碼成模式或形狀。最大有效距離和標(biāo)志性的實(shí)質(zhì)上是機(jī)器人短于活躍的指標(biāo)體系。定位精度取決于距離以及機(jī)器人與夾角的地標(biāo)。而具有里程碑意義的導(dǎo)航是不準(zhǔn)確的機(jī)器人進(jìn)一步遠(yuǎn)離的地標(biāo)。具有較高的精度 , 只有當(dāng)機(jī)器人了附近的一個(gè)標(biāo)志。相當(dāng)大的加工是必要的和活躍的燈塔比系統(tǒng)。在許多情況下機(jī)載計(jì)算機(jī)無(wú)法自然具有里程碑意義的算法過(guò)程實(shí)時(shí)不夠快運(yùn)動(dòng)。環(huán)境條件、照明、 問(wèn)題 ;在邊緣能見度陸標(biāo)可能不被認(rèn)可或者其他物體的環(huán)境與相似的特征可以嗎被誤認(rèn)為是合法的地標(biāo)。這是一

38、個(gè)極其嚴(yán)重的問(wèn)題, 因?yàn)樗赡軙?huì)導(dǎo)致一個(gè)完全錯(cuò)誤的決心機(jī)器人的位置。地標(biāo)必須能夠在工作環(huán)境中在機(jī)器人。Landmark-based導(dǎo)航需要一個(gè)近似起點(diǎn)位置使機(jī)器人知道到哪里去尋找陸標(biāo)。如果起始位置不明 , 機(jī)器人進(jìn)行耗時(shí)的搜索過(guò)程。 這個(gè)搜索過(guò)程可能出錯(cuò) , 可能取得一個(gè)錯(cuò)誤的解釋物體在場(chǎng)景里。一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的地標(biāo)建筑的環(huán)境和他們的位置必須持續(xù)。只有有限商業(yè)支持自然landmark-based技術(shù)。2.7 Map-based Positioning地圖定位基于地圖的定位，也被稱為“地圖匹配”是一種技技術(shù)，借助于該技術(shù)，機(jī)器人使用它自己的感受器來(lái)創(chuàng)建周圍局部環(huán)境的一個(gè)地圖。 這一區(qū)域地圖被拿來(lái)與以前

39、存放在存儲(chǔ)器里的一個(gè)全局性地圖進(jìn)行比較。 如果找到匹配， 那么機(jī)器人能計(jì)算其實(shí)際位置和在環(huán)境中的定位。預(yù)存儲(chǔ)的地圖可以是環(huán)境的一種 CAD模型，也可以是由以前的傳感器數(shù)據(jù)構(gòu)建的。 地圖定位是有優(yōu)點(diǎn)的， 因?yàn)樗怯玫湫褪噎h(huán)境的天然結(jié)構(gòu)推導(dǎo)位置，而不改變環(huán)境。同時(shí)，隨著一些算法被開發(fā)，基于地圖的定位將使一個(gè)機(jī)器人去學(xué)習(xí)一個(gè)新的環(huán)境，通過(guò)探索提高定位精度。地圖定位的缺點(diǎn)是對(duì)地圖傳感器的精度有嚴(yán)格要求， 并要求有足夠的靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)間和用于匹配時(shí)容易識(shí)別的特點(diǎn)。 由于具有挑戰(zhàn)性的要求， 目前多數(shù)地圖定位工作僅限于實(shí)驗(yàn)室圖設(shè)置和相對(duì)簡(jiǎn)單的環(huán)境。有兩種截然不同的起點(diǎn)定位過(guò)程的圖譜。要么是一個(gè)已有的圖象，或者機(jī)

40、器人必須建造自己的環(huán)境地圖。Rencken1993 定義地圖的構(gòu)建問(wèn)題, 如下： “考慮到機(jī)器人的位置與一套測(cè)量方法 , 傳感器看嗎 ?“很明顯 ,map-building 能力的一次機(jī)器人以其傳感能力密切相關(guān)。一個(gè)問(wèn)題是有關(guān)map-building“自主探索” Rencken條 ,1994 條 。為了建立一個(gè)地圖 , 機(jī)器人必須探索未知環(huán)境地圖區(qū)域。典型地 , 這是假定沒(méi)有機(jī)器人開始探索任何知識(shí)環(huán)境。然后 , 有一個(gè)運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)略是跟著旨在最大限度地?cái)?shù)量的繪制了最少的地區(qū)。這樣的運(yùn)動(dòng)策略被稱為“勘探戰(zhàn)略 , 并在強(qiáng)烈的依賴這種傳感器的使用。其中一個(gè)例子對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的探索根據(jù)激光雷達(dá)傳感器策略, 給出

41、了 Edlinger和Puttkamer條 ,1994 條 。許多研究人員相信, 沒(méi)有單一傳感器形態(tài)足以捕捉所有相關(guān)獨(dú)自一人一個(gè)真正的環(huán)境特征。為了克服這一問(wèn)題, 結(jié)合數(shù)據(jù)是必要的來(lái)自不同傳感器的需求, 這一過(guò)程被稱之為傳感器融合。例如 ,Buchberger 等。艾爾。 1993 和 1994;1995JCrg 發(fā)展機(jī)制 , 利用異構(gòu)信息從一個(gè) laser-radar 獲得和聲納系統(tǒng)可靠 , 為了構(gòu)建完整的世界模型。傳感器融合是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域 , 文學(xué) , 充滿了技術(shù)結(jié)合不同類型的傳感器數(shù)據(jù)。其中一個(gè)最重要的和具有挑戰(zhàn)性的方面是導(dǎo)航地圖匹配圖譜,例如 , 建立之間的對(duì)應(yīng)一個(gè)當(dāng)前局部地圖和

42、地圖Kak儲(chǔ)存全球等問(wèn)題 ,1990) 。在地圖上工作匹配是計(jì)算機(jī)視覺的社區(qū)通常專注于一般的圖像匹配問(wèn)題, 相對(duì)于任意位置定位模型( 例如,Talluri和 Aggarwal,1993)。一般來(lái)說(shuō) , 匹配的獲得是通過(guò)第一次特征提取,其次是確定正確的形象和模型之間的關(guān)系特點(diǎn),通常通過(guò)某種形式的約束搜索 考克斯條,1991 條 。討論了兩種不同類型的匹配算法 , ”圖標(biāo)”和“特征” , 給出了Schaffer等問(wèn)題 ,1992) 。Example: University of Kaiserslautern's Angle Histogram一個(gè)簡(jiǎn)單但是顯然很有效的方法是由Hinkel map-building Knieriemen1988從凱澤斯勞滕大學(xué) , 德國(guó)。這個(gè)方法 , 稱為角度直方圖 , ”使用一個(gè)部開發(fā)的雷達(dá)。一個(gè)典型的瀏覽該雷達(dá)顯示圖 14。作品的角度直方圖檢測(cè)方法如下。首先, 一個(gè) 360度掃描的房間被擄去了