掃地機(jī)器人室內(nèi)定位技術(shù)解析

　　相信屏幕前的各位看官應(yīng)該都有過掃地的經(jīng)歷，回想一下掃地的過程，可以分解為兩個(gè)主要的動(dòng)作：走到某個(gè)位置；將其打掃干凈。與之相應(yīng)的，作為人類掃地勞動(dòng)的替代者——掃地機(jī)器人也包含兩個(gè)主要的系統(tǒng)：自主導(dǎo)航系統(tǒng)和清掃系統(tǒng)。

　　如果說清掃系統(tǒng)是掃地機(jī)器人冠以“掃地”之名的本錢，是掃地機(jī)器人之心；那么自主導(dǎo)航系統(tǒng)就是它冠以“機(jī)器人”之名的底氣，是掃地機(jī)器人之腦。如果沒有自主導(dǎo)航系統(tǒng)，那么它只能被稱為“掃地機(jī)器”而不是“掃地機(jī)器人”。下面就讓我們具體來看一下掃地機(jī)器人的“底氣”是怎么產(chǎn)生的。

　　| 機(jī)器人導(dǎo)航的三個(gè)經(jīng)典問題

　　說到機(jī)器人的自主導(dǎo)航，簡單來說可以歸結(jié)為由MIT教授John J. Leonard和原悉尼大學(xué)教授Hugh Durrant-Whyte提出的三個(gè)問題：

　?。?）Where am I ？

　　（2）Where I am going？

　?。?）How should I go there？

　　第一個(gè)問題是機(jī)器人的定位問題，即如何根據(jù)現(xiàn)在觀測到的和前面已知的信息，判斷機(jī)器人在當(dāng)前環(huán)境中的位置。第二個(gè)和第三個(gè)問題，實(shí)際上就是指定一個(gè)目標(biāo)，然后規(guī)劃一定的路徑來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。對一般的移動(dòng)機(jī)器人來說，這個(gè)目標(biāo)是一個(gè)點(diǎn)，即點(diǎn)到點(diǎn)導(dǎo)航。而對掃地機(jī)器人來說，其目標(biāo)不是到達(dá)某一點(diǎn)，而是遍歷某一個(gè)區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)對房間的清掃。今天讓我們先來看一下第一個(gè)問題，即掃地機(jī)器人的定位。

　　定位是包括掃地機(jī)器人在內(nèi)的移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航中最基本的環(huán)節(jié)，也是完成任務(wù)必須解決的問題。說到定位，大家首先想到的可能是GPS定位、基站定位等常用的室外定位。

　　與之不同，掃地機(jī)器人的定位都是室內(nèi)定位，其要求定位精度高（最少在亞米級），實(shí)時(shí)性好，GPS、基站定位等方法無法滿足。掃地機(jī)器人定位總體上可以分為相對定位和絕對定位，下面我們分別來看。

　　| 相對定位法

　　航位推算法（Dead-Reckoning Method）是一種經(jīng)典的相對定位法，也是掃地機(jī)器人目前最為廣泛使用的一種定位方法。它利用機(jī)器人裝備的各種傳感器獲取機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)信息，通過遞推累計(jì)公式獲得機(jī)器人相對初試狀態(tài)的估計(jì)位置。航位推算較常使用的傳感器一般有：碼盤，慣性傳感器（如陀螺儀、加速度計(jì)）等。

　　碼盤法一般使用安裝在車輪上的光電碼盤記錄車輪的轉(zhuǎn)數(shù)，進(jìn)而獲得機(jī)器人相對于上一采樣時(shí)刻位置和姿態(tài)的改變量，通過這些位移量的累積就可以估計(jì)機(jī)器人的位置。碼盤法優(yōu)點(diǎn)是方法簡單、價(jià)格低廉，但其容易受標(biāo)定誤差、車輪打滑、顛簸等因素影響，誤差較大。但是由于碼盤價(jià)格便宜，簡單易用，可用于機(jī)器人較短時(shí)間距離內(nèi)的位置估計(jì)。

　　慣性傳感器使用陀螺儀和加速度計(jì)得到機(jī)器人的角加速度和線加速度信息，通過積分獲得機(jī)器人的位置信息。一般情況下，使用慣性傳感器的定位精度高于碼盤，但是其精度也要受陀螺儀漂移、標(biāo)定誤差、敏感度等問題影響。無論是使用碼盤還是慣性傳感器，它們都存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)：有累積誤差，隨著行駛時(shí)間、距離的不斷增加，誤差也不斷增大。因此相對定位法不適合于長時(shí)間、長距離的精確定位。

　　| 絕對定位法

　　絕對定位法是指機(jī)器人通過獲得外界一些位置等己知的參照信息，通過計(jì)算自己與參照信息之間的相互關(guān)系，進(jìn)而解算出自己的位置。。絕對定位主要采用基于信標(biāo)的定位、環(huán)境地圖模型匹配定位、視覺定位等方法。

　　基于信標(biāo)的定位

　　信標(biāo)定位原指在航海或航空中利用無線電基站發(fā)出的無線電波實(shí)現(xiàn)定位與導(dǎo)航的技術(shù)。對機(jī)器人室內(nèi)定位而言是指，機(jī)器人通過各種傳感器接收或觀測環(huán)境中已知位置的信標(biāo)，經(jīng)過計(jì)算得出機(jī)器人與信標(biāo)的相對位置，再代入已知的信標(biāo)位置坐標(biāo)，解出機(jī)器人的絕對坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)定位。用于定位的信標(biāo)需滿足3個(gè)條件：

　　（1）信標(biāo)的位置固定且信標(biāo)的絕對坐標(biāo)已知；

　　（2）信標(biāo)具有主被動(dòng)特征，易于辨識；

　?。?）信標(biāo)位置便于從各方向觀測。

　　信標(biāo)定位方式主要有三邊測量和三角測量 。三邊測量是根據(jù)測量得到的機(jī)器人與信標(biāo)的距離來確定移動(dòng)機(jī)器人位置的方法。三邊測量定位系統(tǒng)至少需要3個(gè)已知位置的發(fā)射器（或接收器），而接收器（或發(fā)射器）安裝在移動(dòng)機(jī)器人上。三角測量和三邊測量的思路大體一致，通過測量移動(dòng)機(jī)器人與信標(biāo)之間的角度來進(jìn)行定位。

　　基于信標(biāo)的定位系統(tǒng)依賴于一系列環(huán)境中已知特征的信標(biāo)，并需要在移動(dòng)機(jī)器人上安裝傳感器對信標(biāo)進(jìn)行觀測。用于信標(biāo)觀測的傳感器有很多種，比如超聲波傳感器、激光雷達(dá)、視覺傳感器等?？梢詫?shí)時(shí)測量，沒有累進(jìn)誤差，精度相對較高、穩(wěn)定性好，提供快速、穩(wěn)定、精確的絕對位置信息，但安裝和維護(hù)信標(biāo)花費(fèi)很高。市場上已經(jīng)出現(xiàn)較為成熟的基于信標(biāo)定位的信標(biāo)定位掃地機(jī)器人，如Proscenic的模擬GPS衛(wèi)星三點(diǎn)定位技術(shù)，iRobot的Northstar導(dǎo)航定位技術(shù)，但由于其價(jià)格較為昂貴，它們都用于相對高端的產(chǎn)品中。

　　環(huán)境地圖模型匹配定位

　　是機(jī)器人通過自身的各種傳感器探測周圍環(huán)境，利用感知到的局部環(huán)境信息進(jìn)行局部的地圖構(gòu)造，并與其內(nèi)部事先存儲(chǔ)的完整地圖進(jìn)行匹配。通過匹配關(guān)系獲得自己在全局環(huán)境中的位置，從而確定自身的位置。該方法由于有嚴(yán)格的條件限制，只適于一些結(jié)構(gòu)相對簡單的環(huán)境。

　　基于視覺的定位

　　科學(xué)研究統(tǒng)計(jì)表明，人類從外界獲得信息量約有75%來自視覺，視覺系統(tǒng)是機(jī)器人與人類感知環(huán)境最接近的探測方式。受益于模式識別、機(jī)器視覺的發(fā)展，基于視覺的機(jī)器人定位近年來成為研究熱點(diǎn)。

　　基于視覺的定位主要分為單目視覺、雙目視覺。

　　單目視覺無法直接得到目標(biāo)的三維信息，只能通過移動(dòng)獲得環(huán)境中特征點(diǎn)的深度信息，適用于工作任務(wù)比較簡單且深度信息要求不高的情況，如果利用目標(biāo)物體的幾何形狀模型，在目標(biāo)上取3個(gè)以上的特征點(diǎn)也能夠獲取目標(biāo)的位置等信息，但定位精度不高。

　　雙目立體視覺三維測量是基于視差原理的，即左相機(jī)像面上的任意一點(diǎn)只要能在右相機(jī)像面，上找到對應(yīng)的匹配點(diǎn)，就可以確定出該點(diǎn)的三維信息，從而獲取其對應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

　　目前，基于視覺定位的掃地機(jī)器人也已有產(chǎn)品推出，iRobot和Dyson分別于2015年及2014年推出了基于視覺定位的高端掃地機(jī)器人RoomBa980和360Eye。

　　| 小結(jié)

　　自主定位是掃地機(jī)器人自主路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)。經(jīng)過多年的研究，雖然受成本、生產(chǎn)等因素的制約，航位推算法仍然是目前采用最廣泛的定位方法，但通過算法優(yōu)化，利用混合定位，可以減小其誤差帶來的影響。而且，隨著視覺定位等較高定位精度的定位方法的進(jìn)一步成熟，其成本也將逐步下降，并將從高端市場逐漸推向大眾市場，到時(shí)候掃地機(jī)器人的定位精度，智能化水平都將有普遍的提升。
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