移动机器人有哪几种导航方式？

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人已在諸多行業(yè)被廣泛應(yīng)用，它是實(shí)現(xiàn)自主控制移動(dòng)、自動(dòng)執(zhí)行工作的智能裝置，不僅能接受用戶的指揮，運(yùn)行預(yù)先編排的程序，甚至能在無人干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)。根據(jù)機(jī)器人導(dǎo)航方式的不同，目前的機(jī)器人導(dǎo)航方式主要可分為慣性導(dǎo)航、路標(biāo)導(dǎo)航及激光導(dǎo)航等，而激光導(dǎo)航憑借其靈活自主的優(yōu)勢，成為現(xiàn)下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主移動(dòng)的主流導(dǎo)航方式。

移動(dòng)機(jī)器人慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航是一門涉及精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子、光學(xué)、自動(dòng)控制等多學(xué)科和領(lǐng)域的綜合技術(shù)。通過描述機(jī)器人的方位角和根據(jù)從某一參考點(diǎn)出發(fā)測定的行駛距離來確定當(dāng)前位置的一種方法。這種導(dǎo)航方式通過與已知的地圖路線來比較，進(jìn)而對(duì)移動(dòng)機(jī)器人控制它的運(yùn)動(dòng)方向和距離，這樣便能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主導(dǎo)航。

其主要工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測量載體在慣性參考系的加速度、角加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行一次積分，求得運(yùn)動(dòng)載體的速度、角速度，之后進(jìn)行二次積分求得運(yùn)動(dòng)載體的位置信息，然后將其變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置信息等。

慣性導(dǎo)航原理圖

這種導(dǎo)航方式的優(yōu)點(diǎn)在于其無需受氣候條件及外部信息的干擾，但隨著時(shí)間的積累，在對(duì)其進(jìn)行積分之后，就算是一個(gè)很小的常數(shù)，它的誤差也將無限增大，因此，慣性導(dǎo)航里所用的傳感器對(duì)于長時(shí)間的精確定位是不合適的。

移動(dòng)機(jī)器人路標(biāo)導(dǎo)航

路標(biāo)導(dǎo)航是指通過對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的內(nèi)部傳感器輸入信息，并且能識(shí)別出的特殊環(huán)境的標(biāo)志，這種路標(biāo)本身具有固定的位置，可以是數(shù)學(xué)中的幾何形狀，也可以是字母及二維碼等。根據(jù)機(jī)器人所使用路標(biāo)的不同，也可分為人工路標(biāo)導(dǎo)航和自然路標(biāo)導(dǎo)航兩大類。

人工路標(biāo)導(dǎo)航是事先對(duì)機(jī)器人行走路線做好標(biāo)記，通常采用特殊設(shè)計(jì)的顏色或紋理結(jié)構(gòu)、信息圖案等，這些圖案一般是用紙片打印制作，通過環(huán)境光照明使攝像機(jī)感光成像。從而為機(jī)器人在環(huán)境中安裝專用的導(dǎo)航路線，這種導(dǎo)航方式相對(duì)較容易實(shí)現(xiàn)，但容易受環(huán)境光照變化的影響，穩(wěn)定性差。

而自然路標(biāo)導(dǎo)航是機(jī)器人不對(duì)原有的路線環(huán)境進(jìn)行改變，而是通過對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行自然特征的識(shí)別來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，常規(guī)做法主要是利用地圖幾何特征，抽取Voronoi圖交叉點(diǎn)作為顯著地點(diǎn)的方法。這種導(dǎo)航方式雖不破壞原有環(huán)境，普適性好，但計(jì)算復(fù)雜、魯棒性不強(qiáng)。究其原因，主要是因?yàn)樽匀宦窐?biāo)的檢測和提取比較復(fù)雜，常需要保存機(jī)器人視野中的所有圖像信息，然后進(jìn)行特征的提取，存儲(chǔ)，檢測，匹配等?？紤]到一個(gè)典型的室內(nèi)場景圖像中往往存在太多的特征點(diǎn)，或者在室內(nèi)導(dǎo)航過程中，檢測到數(shù)據(jù)庫中存在類似的場景，再加上局部特征點(diǎn)維度等種種因素，往往會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用所需的計(jì)算復(fù)雜度過高。

移動(dòng)機(jī)器人激光導(dǎo)航

激光導(dǎo)航主要是基于SLAM的原理，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在未知環(huán)境中的自主定位、建圖及路徑規(guī)劃等功能，相比于上面所介紹的慣性導(dǎo)航及路標(biāo)導(dǎo)航更具靈活及自主性。其主要是通過激光來獲取周圍環(huán)境的信息，測量激光從發(fā)出到接收的時(shí)間，計(jì)算出自身距離及前方障礙物的距離，通過算法的處理，得出環(huán)境模型，在不斷的掃描測距中獲取自身定位及行走路線。

如今，在家庭、商場、餐廳等領(lǐng)域，應(yīng)用激光導(dǎo)航的機(jī)器人已占多數(shù)，覆蓋了室內(nèi)全場景。在餐廳，送餐機(jī)器人可以隨意走動(dòng)，即使在人多的時(shí)候也不會(huì)撞到客人；在商場，如果迷路了，點(diǎn)擊機(jī)器人身上的大屏幕就能被帶到目的地；在家里，掃地機(jī)器人知道哪些地方掃過，哪些地方?jīng)]掃過...。相信這是大多數(shù)人心中的理想機(jī)器人，但這看上去簡單的操作，對(duì)機(jī)器人來說卻存在極大的挑戰(zhàn)，僅依靠激光雷達(dá)、攝像頭等單一傳感器，顯然是無法實(shí)現(xiàn)的，還需要額外的算法來配合。

例如，采用激光導(dǎo)航的掃地機(jī)器人，在其身上安裝激光雷達(dá)，配合SLAM算法，可幫助掃地機(jī)實(shí)現(xiàn)自主定位與建圖，從而讓其實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)航及路徑規(guī)劃。完全無需人工干預(yù)，結(jié)合對(duì)應(yīng)軟件達(dá)到數(shù)據(jù)互通，創(chuàng)建可視化實(shí)時(shí)地圖，通過分區(qū)清掃便能掌握已掃及未掃區(qū)域。

國內(nèi)思嵐科技作為最早將激光導(dǎo)航應(yīng)用于機(jī)器人的企業(yè)，其研發(fā)的自主定位導(dǎo)航技術(shù)已成熟的應(yīng)用于導(dǎo)引導(dǎo)覽、運(yùn)輸配送及安檢巡邏等各個(gè)方面的機(jī)器人中，即使是優(yōu)必選、微軟、科大訊飛等知名企業(yè)的服務(wù)機(jī)器人項(xiàng)目也使用了思嵐科技的產(chǎn)品。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能行走，思嵐科技為之付出了極大的努力，從2009年開始，思嵐科技便致力于定位導(dǎo)航技術(shù)的研究，在技術(shù)、市場及產(chǎn)品生產(chǎn)中做足了功課。不僅需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)及打磨，還需在保證產(chǎn)品品質(zhì)及成本的情況下實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，尤其是激光雷達(dá)產(chǎn)品在組裝的過程中，對(duì)材料及順序都有嚴(yán)格要求，在調(diào)校上，由于工人對(duì)于行業(yè)及產(chǎn)品了解較少，實(shí)際操作中會(huì)面臨較大的困難，而初創(chuàng)企業(yè)又難以效仿大企業(yè)雇傭有多年經(jīng)驗(yàn)的技工，因此，思嵐科技通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助，利用自動(dòng)化的方式進(jìn)行激光的調(diào)校，以此降低對(duì)工人個(gè)人能力的要求，在控制激光雷達(dá)成本的同時(shí)還能保證品質(zhì)。

憑借多年努力及市場的認(rèn)可，如今，思嵐科技已擁有360°激光掃描測距雷達(dá)、模塊化自主定位導(dǎo)航方案SLAMWARE及通用型服務(wù)機(jī)器人底盤ZEUS系列三大核心產(chǎn)品線。旗下業(yè)務(wù)遍布亞歐美洲等20多個(gè)國家和地區(qū)，服務(wù)超過2000家企業(yè)，個(gè)人使用用戶也達(dá)到10萬以上，成為業(yè)內(nèi)的主導(dǎo)企業(yè)。