移動機器人空間定位技術(shù)綜述-

1、學(xué)院：自動化學(xué)院專業(yè)：把握科學(xué)與工程學(xué)號：S20121057姓名：彭紅時間：2012.10.30 HYPERLINK l _TOC_250017 引言：1 HYPERLINK l _TOC_250016 一、移動機器人的分類1 HYPERLINK l _TOC_250015 二、移動機器人技術(shù)的主要爭辯方向2 HYPERLINK l _TOC_250014 動機器人的坐標定位2 HYPERLINK l _TOC_250013 仿生學(xué)和類人機器人機構(gòu)與能源方面的爭辯2 HYPERLINK l _TOC_250012 網(wǎng)絡(luò)機器人3 HYPERLINK l _TOC_250011 多機器人系統(tǒng)3 H

2、YPERLINK l _TOC_250010 特種機器人3 HYPERLINK l _TOC_250009 多傳感器信息融合方面的爭辯4 HYPERLINK l _TOC_250008 三、移動機器人常用的定位技術(shù)4 HYPERLINK l _TOC_250007 基于航跡推算的定位技術(shù)4 HYPERLINK l _TOC_250006 基于信號燈的定位方法4 HYPERLINK l _TOC_250005 基于地圖的定位方法5 HYPERLINK l _TOC_250004 基于路標的定位方法5 HYPERLINK l _TOC_250003 基于視覺的定位方法6 HYPERLINK l _

3、TOC_250002 移動機器人聽覺定位技術(shù)7 HYPERLINK l _TOC_250001 結(jié)束語8 HYPERLINK l _TOC_250000 參考文獻8引言：移動機器人的爭辯始于 60 年月末期。 斯坦福爭辯院(SRI) 的 NilsNilssen 和CharlesRosen 等人，在 1966 年至 1972 年中研造出了取名 Shakey 的自主移動機器人。 目的是爭辯應(yīng)用人工智能技術(shù)， 在簡單環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和把握。 與此同時， 最早的操作式步行機器人也研制成功， 從而開頭了機器人步行機構(gòu)方面的爭辯， 以解決機器人在不平整地域內(nèi)的運動問題， 設(shè)計并研制出了多足

4、步行機器人。 其中最有名是名為 GeneralElectric Quadruped 的步行機器人。70 年月末， 隨著計算機的應(yīng)用和傳感技術(shù)的進展， 移動機器人爭辯又消滅了新的高潮。 特殊是在 80 年月中期， 設(shè)計和制造機器人的浪潮席卷全世界。 一大批世界有名的公司開頭研制移動機器人平臺， 這些移動機器人主要作為高校試驗室及爭辯機構(gòu)的移動機器人試驗平臺， 從而促進了移動機器人學(xué)多種爭辯方向的消滅。90 年月以來， 以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)， 高適應(yīng)性的移動機器人把握技術(shù)， 真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標志， 開展了移動機器人更高層次的爭辯。移動機器人在運動過程中要遇到并且解決如下

5、三個問題：(1)我(機器人)現(xiàn)在何處?(2)我 要往何處走?(3)我要如何到達該處?其中第一個問題是其導(dǎo)航系統(tǒng)總的定位及其跟蹤問題， 其次、三個是導(dǎo)航系統(tǒng)的路徑規(guī)劃問題。移動機器人定位技術(shù)的任務(wù)就是解決上面的第一個 問題?，F(xiàn)有的移動機器人定位傳感器種類很多，如里程計、陀螺、羅盤、攝像頭、激光雷達等。而大多數(shù)的移動機器人安裝了不只一種用于定位的傳感器。一、移動機器人的分類移動機器人從工作環(huán)境來分， 可分為室內(nèi)移動機器人和室外移動機器人； 按移動方式來分： 輪式移動機器人、步行移動機器人、蛇形機器人、履帶式移動機器人、爬行機器人等； 按把握體系結(jié)構(gòu)來分： 功能式(水平式)結(jié)構(gòu)機器人、行為式(垂直式

6、)結(jié)構(gòu)機器人和混合式機器人； 按功能和用途來分： 醫(yī)療機器人、軍用機器人、助殘機器人、清潔機器人等。按作業(yè)空間來分： 陸地移動機器人、水下機器人、無人飛機和空間機器人。1圖 1.清潔機器人二、移動機器人技術(shù)的主要爭辯方向動機器人的坐標定位動機器人的坐標定位是實現(xiàn)機器人自主行走，姿勢把握，軌跡跟蹤等各種任務(wù)的前提。機器人必需精確地知道自己的坐標位置及姿勢參數(shù)才能正確精確的執(zhí)行命令。因此，定位問 題是移動機器人爭辯中的關(guān)鍵問題之一。無論是單個移動機器人還是多個移動機器人系統(tǒng)， 定位始終是一項難題。 在完全未知或部分未知環(huán)境下， 基于自然路標導(dǎo)航與定位技術(shù)以及視覺導(dǎo)航中路標的識別和圖像處理的快速算法

7、的爭辯， 并通過專用數(shù)字信號處理器(DSP)的開發(fā)與研制， 可以為導(dǎo)航與定位供應(yīng)突破性進展。仿生學(xué)和類人機器人機構(gòu)與能源方面的爭辯日本本田公司的HondaP3 步行機器人雖然代表著當今世界類機器人的最高水平，但仍存在供能時間短、行走緩慢和語音功能不完善等方面的問題。 P3 機器人目前接受的鎳鋅電池只能供應(yīng) 25 分鐘的電量， 電池的體積、重量與其蓄電容量相比， 浩大而笨重， 遠不能滿足將來服務(wù)步行機器人的工作時間要求。 需研制適用于移動機器人攜帶的蓄電容量大且體積小、重量輕的蓄電池， 以解決可攜帶能源問題；類人機器人的語音功能遠未達到將來同人類共存與合作所應(yīng)具備的語音功能， 需要在語音信號特征

8、提取和模式匹配、抗噪聲以及語音識別器的詞匯量擴充等方面， 進行探討； 類人機器人的行走速度同人類的行走乃至奔跑速度還有較大差距。 需要研制體積小、重量輕驅(qū)動力大的驅(qū)動系統(tǒng)和完善行走機構(gòu)來近似人類的肌肉和骨骼； 同時， 爭辯自然界各種生物的覓食、定位及路徑跟蹤等生態(tài)策略， 將人類所不及的生物特長賜予機器人， 研制如機器蛇、機器狗和機器魚等各種仿生氣2器人。圖 2.日本本田公司的P3 機器人網(wǎng)絡(luò)機器人隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的擴展延長，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進展完善，通過計算機網(wǎng)絡(luò)遙控機器人，為人機交互技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、遠程操作技術(shù)和圖像與把握命令的網(wǎng)絡(luò)傳輸及并發(fā)多進程數(shù)據(jù)通訊等通訊技術(shù)多機器人系統(tǒng)目前多機器人系統(tǒng)的爭辯

9、尚處于理論爭辯階段，對于多機器人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)作機 制、信息交互以及沖突消退等方面將是多機器人系統(tǒng)的進一步爭辯方向。技術(shù)上提出了更高的挑戰(zhàn)。特種機器人移動機器人在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用刺激了特種機器人的爭辯與開發(fā)。戰(zhàn)場上， 為愛護士兵的生命， 刺激了無人戰(zhàn)車、掃雷機器人和偵察機器人等軍用機器人的不斷爭辯； 人民生 活水平的提高促進了消遣機器人、外科手術(shù)機器人和助殘機器人等民用服務(wù)機器人的開發(fā)。3多傳感器信息融合方面的爭辯移動機器人的多傳感器信息融合方面的爭辯始于 80 年月。多傳感器融合的常用方法有： 加權(quán)平均法、貝葉斯估量、卡爾曼濾波、統(tǒng)計決策理論、D-S 證據(jù)推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理法以及帶置

10、信因子的產(chǎn)生式規(guī)章。其中加權(quán)平均法是最簡潔也最直觀的方法， 一般用于對動態(tài)低水平的數(shù)據(jù)進行處理， 但結(jié)果不是統(tǒng)計上的最優(yōu)估量； 貝葉斯估量是融合靜態(tài)環(huán)境中多傳感器低層數(shù)據(jù)的常用方法， 適用于具有高斯白噪聲的不確定性傳感信息融合； 對于系統(tǒng)噪聲和觀測噪聲為高斯白噪聲的線性系統(tǒng)模型用卡爾曼濾波(KF)來融合動態(tài)低層次冗余傳感信息， 對于非線性系統(tǒng)模型接受擴展卡爾曼濾波(EKF)或者分散卡爾曼濾波(DKF) ； 統(tǒng)計決策理論用于融合多個傳感器的同一種數(shù)據(jù)， 常用于圖像觀測數(shù)據(jù)； D-S 證據(jù)推理是貝葉斯估量法的擴展， 它將局部成立的前提與全局成立的前提分別開來， 以處理前提條件不完整的信息融合； 基

11、于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法依據(jù)系統(tǒng)要求和融合形式， 選擇網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)， 通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習確定網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值， 對各傳感器的輸入信息進行融合。 系統(tǒng)具有很強的容錯性和魯棒性； 模糊推理法首先對多傳感器輸出進行模糊化， 將所測得的距離等信息分級， 表示成相應(yīng)的模糊子集， 并確定模糊子集的隸屬度函數(shù)， 通過融合算法對隸屬度函數(shù)綜合處理， 再將模糊融合結(jié)果清楚化， 求出融合值； 帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)章主要用于符號水平層表達傳感器信息，結(jié)合專家系統(tǒng)對多傳感信息進行融合。三、移動機器人常用的定位技術(shù)基于航跡推算的定位技術(shù)航跡推算(DeadReckoning 簡稱 DR)是一種使用最廣泛的定位手段。不需要外部傳感器信息來實現(xiàn)對

12、車輛位置和方向的估量，并且能夠供應(yīng)很高的短期定位精度。航跡推算定位技 術(shù)的關(guān)鍵是要能測量出移動機器人單位時間間隔走過的距離。以及在這段時間內(nèi)移動機器人 航向的變化。依據(jù)傳感器的不同，主要有基于慣性傳感器的航跡推算定位方法以及基于碼盤 的航跡推算定位方法。利用陀螺和加速度計分別測量出旋轉(zhuǎn)率和加速率，在對測量結(jié)果進行 積分，從而求解出移動機器人移動的距離以及航向的變化，再依據(jù)航跡推算的基本算法，求 得移動機器人的位置以及姿勢，這就是基于慣性器件的航跡推算定位方法。這種方法具有自 包含優(yōu)點，即無需外部參考。然而，隨時間有漂移，積分之后，任何小的常數(shù)誤差都會無限增長。因此，慣性傳感器對于長時間的精確定

13、位是不適合的。優(yōu)點：無需外部參考。缺點：隨時間有漂移，積分之后，任何小的常數(shù)誤差都會無限增長。因此，慣性傳感器對于長時間的精確定位是不適合的?；谛盘枱舻亩ㄎ环椒ㄐ盘枱舳ㄎ幌到y(tǒng)是船只和飛行器普遍的導(dǎo)航定位手段。基于信號燈的定位系統(tǒng)依靠一組 安裝在環(huán)境中已知的信號燈。在移動機器人上安裝傳感器，對信號燈進行觀測。用于環(huán)境觀 測的傳感器有很多種，可以是主動的信號，比如主動視覺、超聲波、激光雷達、毫米波雷達4收發(fā)器，也可以是被動的信號，比如 GPS、被動視覺：信號燈經(jīng)過很短的處理過程能夠供應(yīng)穩(wěn)定、精確的位置信息。雖然這種定位方法供應(yīng)很高的采樣率以及極高的穩(wěn)定性，但是安裝和維護信標花費很高。優(yōu)點：信號燈

14、經(jīng)過很短的處理過程能夠供應(yīng)穩(wěn)定、精確的位置信息。這種定位方法供應(yīng)很高的采樣率以及極高的穩(wěn)定性。缺點：安裝和維護信標花費很高?；诘貓D的定位方法在基于地圖的定位技術(shù)中，地圖構(gòu)建是其中的一個重要的內(nèi)容。環(huán)境的描述-地圖：地圖是環(huán)境的模型， 當前主要有拓撲結(jié)構(gòu)描述地圖和幾何地圖兩種。拓撲地圖抽象度高， 有以下優(yōu)勢： 有利于進一步的路徑和任務(wù)規(guī)劃； 存儲和搜尋空間都比較小， 計算效率高； 可以使用很多現(xiàn)有的成熟、高效的搜尋和推理算法。 缺點在于對拓撲圖的使用是建立在對拓撲節(jié)點的識別匹配基礎(chǔ)上的， 在這個前提不能滿足時， 該方法就會失效。幾何地圖可以是柵格描述的， 也可以是用線段或者是多邊形描述的， 優(yōu)

15、點是建立簡潔， 盡量保留了整個環(huán)境的各種信息， 定位過程中也不再依靠于對環(huán)境特征的識別， 但是， 定位過程中搜尋空間很大，假如沒有較好的簡化算法， 實現(xiàn)實時應(yīng)用比較困難。機器人利用對環(huán)境的感知信息對現(xiàn)實世界進行建模，自動地構(gòu)建一個地圖。典型的地圖表示方法有幾何地圖，拓撲地圖。幾何圖是獵取環(huán)境的幾何特征，然而拓撲圖是描述了不同區(qū)域的連通性。但是幾何圖和拓撲圖之間的區(qū)分確是模糊不清的，由于實際上全部的拓撲方法都依靠于幾何信息。幾何圖有更高的解析度的同時帶來了較大的計算量，幾何地圖又分為柵格地圖和特征地圖。柵格地圖是一個近似的解決方案，但其對特定感知系統(tǒng)的假設(shè)參數(shù)不敏感，具有較強的 魯棒性。特征地圖

16、通過對環(huán)境特征的提取和參量華描述來表征環(huán)境，具有直觀、精度高的特 點，運用參量法描述幾何特征尤其適合于不同坐標系之間的轉(zhuǎn)換和對不同傳感器信息的融 合。構(gòu)建了一個精確的環(huán)境地圖，通過對觀測的信息與地圖進行配準就可以計算機器人的位 置。這里主要接受的是數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的方法，就是在觀測信息與地圖信息之間查找對應(yīng)。對于移 動機器人定位問題，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)就是把所觀測到的環(huán)境特征與適當?shù)牡貓D特征對應(yīng)起來。在基 于環(huán)境地圖的定位方法中，一個最有名的定位方法是基于卡爾曼濾波技術(shù)的定位，另一個是 基于柵格地圖的馬爾可夫定位，這種定位算法的另一個版本是蒙特卡洛定位，是粒子濾波定 位的一種。機器人位置的概率密度函數(shù)用一組“s

17、amples”“particles”來近似。在定位過 程中，對先驗概率密度分布進行隨機采樣，當?shù)玫叫碌膫鞲衅餍畔r，對采樣進行加權(quán)。由 于要求采樣集足夠大，這種方法需要更大的計算負擔。假如采樣集太小，算法的性能降低。優(yōu)點：直觀、精確度高，適合于不同坐標系之間的轉(zhuǎn)換和對不同傳感器信息的融合。缺點：計算量大，對環(huán)境的自適應(yīng)力量低。當環(huán)境物體變化時，往往會出錯?；诼窐说亩ㄎ环椒窐耸菣C器人能從其傳感輸入所能認出的不同特性。路標可以是幾何外形(如線段，圓， 或矩形)，也可包括附加信息。一般狀況，路標有固定的和已知的位置。路標要認真認真地 選擇，以利于識別，例如，相對于環(huán)境，要有充分的對比。為了利用路

18、標進行導(dǎo)航定位，必需知道路標的特征并將其事先存入機器人的內(nèi)存中。然后，定位的主要任務(wù)就是牢靠地識別5路標以便計算機器人的位置。為了簡化路標獵取問題，經(jīng)常假設(shè)當前機器人的位置和方位近 似已知，這樣就可使機器人在一個有限的區(qū)域內(nèi)查找路標。因此，為了成功地探測到路標， 要求有一個好的測距法。路標分自然路標和人工路標。自然路標是早已在環(huán)境中存在并且除 了用于機器人導(dǎo)航之外還有肯定功能的目標或特征。人工路標是安裝在環(huán)境中單獨用于機器 人導(dǎo)航的特地設(shè)計的目標或標記。優(yōu)點：便利易于實現(xiàn)，定位精度相對較高缺點：需要對路標的合理布局，并且安裝量大，維護費用高?；谝曈X的定位方法基于視覺的定位定向，即利用計算機視

19、覺技術(shù)實現(xiàn)環(huán)境的感知和理解，分析出道路的結(jié)構(gòu)，識別出定位通行的道路區(qū)，進而依據(jù)任務(wù)要求實時地做出道路規(guī)劃，監(jiān)控并驅(qū)動駕駛裝置執(zhí)行此規(guī)劃，達到預(yù)定目標。視覺傳感器包含了豐富的環(huán)境信息，可以用于目標識別跟蹤、環(huán)境地圖構(gòu)建、障礙檢測 等。因其能實現(xiàn)多種功能的特點，所以基于視覺傳感器的機器人定位定向技術(shù)引起了人們越 來越多的關(guān)注。很多學(xué)者提出了不同的定位方法，這些定位大體可分為以下三類：第一類是 基于立體視覺的方法，這類方法的突出優(yōu)點是能獵取四周環(huán)境的深度信息，從而能夠?qū)崿F(xiàn)較 為精確地定位，但存在需要對攝像機進行標定等問題。其次類是基于全方位視覺傳感器的定 位方法，使用這種視覺傳感器不需要把握攝像頭，

20、但是它會對感知到的環(huán)境產(chǎn)生很大的畸變。第三類是基于單目視覺的機器人定位算法。這類方法具有簡潔易用和適用范圍廣等特點，還 可以與里程儀等傳感器相結(jié)合實現(xiàn)運動立體視覺定位，實現(xiàn)對環(huán)境特征的三維測量完成環(huán)境 建圖，因而單目視覺使用較為機敏，也不會像全方位視覺傳感器那樣產(chǎn)生很大的畸變。圖 3.日本川田工業(yè)公司的新機器人NEXTAGE基于雙目運動立體視覺的機器人定位定向方法：雙目攝像機安裝于云臺上，云臺可實現(xiàn)6360 度自由轉(zhuǎn)動，雙目立體視覺實現(xiàn)環(huán)境標志物識別與三維測量，明顯標志物的三維信息帶有誤差。同時，利用碼盤的數(shù)據(jù)可以得到機器人的初步定位碼盤定位也不行避開的存在誤差， 通過卡爾曼濾波將兩者的信息相

21、融合以得到更為精確地機器人和標志物的位置信息。英國牛 津高校在這方面進行了深化的爭辯，在室內(nèi)環(huán)境下的機器人試驗中取得了良好的效果。優(yōu)點：數(shù)字圖像處理技術(shù)相對成熟，技術(shù)門檻相對較低。缺點：視賞感知受視線和能見度的限制，在光線條件較差或者障礙物阻擋的狀況下，視覺感知就會失效。移動機器人聽覺定位技術(shù)機器人視覺技術(shù)極大地拓寬了機器人的應(yīng)用范圍，提高了機器人的工作效率。但視賞感 知受視線和能見度的限制，在光線條件較差或者障礙物阻擋的狀況下，視覺感知就會失效。在這種狀況下聽覺系統(tǒng)作為人類感官的重要組成部分，為機器人感知技術(shù)的爭辯供應(yīng)了新 的思路。聲音定位技術(shù)正是通過對人耳聽覺機制的模擬利用聲學(xué)傳感裝置接收聲波，再通 過電子裝置將聲信號進行處理從而實現(xiàn)聲源位置探測、識別以及目標定位及跟蹤。20 世紀 80 年月來。聲音定位技術(shù)以其隱蔽性強、適用性高、低成本等獨特優(yōu)點漸漸受到各國的重視，在軍事和民用上都有格外寬敞的應(yīng)用，如在戰(zhàn)場指揮、海戰(zhàn)場水下目標感知等危急 環(huán)境作業(yè)中的應(yīng)用等。機器人聽覺定位爭辯包括如下幾個問題