淺析室內移動機器人通用定位方法

胡益愷

摘 要：室內移動機器人是指在室內工作，通過起始點到目標點的運動來完成各種任務的機器人，其廣泛地應用在家庭服務、物流運輸、醫療健康、自動化等領域，移動機器人執行各種任務都離不開其核心技術——定位技術。本文從移動機器人的概況講起，就其室內定位技術作了詳細分析，基于此提出了其未來研究和發展重點。

關鍵詞：移動機器人;相對定位;地圖匹配;信標定位

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0054-02

1 移動機器人概述

進入21世紀以來，搭乘著機電一體化和嵌入式計算機的高速發展，機器人技術日新月異。機器人是一種能夠代替人類工作的高端智能化機電設備，機器人學是一門覆蓋面極其廣泛的多學科融合技術。機器人種類眾多，移動機器人是其中具有獨特功能的一類，移動機器人類似于智能小車，利用若干傳感器在復雜環境中實時感知周圍狀態，利用自帶控制系統指揮其自身朝著目標點位前進，同時整個過程中避開障礙物。通過搭載不同的執行機構，移動機器人的移動可以實現多重功能，例如搬運貨物的物流機器人（圖1）、清理灰塵的掃地機人、為人類服務的生活機器人等。[1]

移動機器人的研發始于上世紀五十年代，此階段的移動機器人大都以室內工作為主，例如斯坦福大學的NILSSEN教授等人在1965年研制出shakey移動機器人，但是此時的移動機器人研究只是停留在針對不同環境的隨機性嘗試;1980年左右，研究學者們一方面開始將研究重心集中具體任務背景下的移動機器人研究，例如，圖書管理機器人、醫用機器人、服務機器人，另一方面開始將室內機器人延伸至室外，此階段具有代表性的是TRC公司研發的helpmate醫療用移動機器人，該機器人可以以1m/s左右的速度在醫院的各個區域內移動，主要用作給患者傳遞藥品。進入本世紀后，機器人技術高速發展，其市場規模也不斷擴大，移動機器人的高適應性、智能性和可靠性成為了新的研究熱點，同時，太空機器人、遠程機器人、無人駕駛、特種機器人、軍事作戰機器人等前沿應用也備受學術界關注。[2]

移動機器人完成各種任務的前提，國外學者在早期就總結出，主要有兩點：Where Am I和How To Get There，即我在哪里和我怎樣達到目的地，所以室內移動機器人的核心技術中最為重要的便是定位技術。

2 移動機器人定位技術

定位是指移動機器人通過各種傳感器件感知周圍環境，并通過一定的方式獲取自身位置信息的過程，機器人的定位包括絕對位置定位和相對位置定位。在室外工作的大部分移動機器人都采用或者間接采用全球定位系統（GPS）定位，此種定位方法簡單便捷、反應迅速，但是對于室內機器人而言，GPS在室內的信號差，定位精度低，不能滿足定位需求，所以室內機器人可采用的定位技術主要有以下幾種，本文就其原理將逐一分析。

2.1 相對定位法

相對定位法是應用最為廣泛的一種定位方法，其主要形式為基于慣性傳感器的航跡推算。其大致過程為，事先將機器人的初始位姿信息輸入，移動機器人在移動的過程中首先通過加速度計和陀螺儀獲取實時加速度和角加速度，通過兩次積分的計算，便可得到其位置和姿態的變化量，將此時刻的變化量疊加到上一時刻的位姿信息上，便可得出此時刻的位姿信息，實現定位，如圖2所示。其算法公式如下：

其中、分別是時刻機器人的位置和姿態，、分別是時刻機器人的位置和姿態，加速度和角加速度為時刻的傳感器測量值。

相對定位的優勢在于不需要任何外界的參考和信息，不受外界環境的干擾，是一種“自我定位”方式，但是其缺點是需要事先知曉機器人的初始位姿信息，而且由于積分和疊加的計算模式，其誤差會逐漸累積。因此，相對定位法比較適合于復雜環境下的室內短距離定位。相對定位的誤差主要來自于傳感器件的漂移誤差，多以零偏誤差為主。[3]

2.2 地圖匹配定位法

地圖匹配定位法是一種在局部區域內精度極高的定位方法，其主要形式有兩種：地圖已知定位法和地圖未知定位法。

地圖已知定位法在定位之前需要將機器人所處環境的全局地圖信息輸入，此地圖在機器人的整個運動過程中都需要隨時調用，環境地圖的構造方式有多種，例如特征學習法、拓撲法、網格法等。其中特征學習法是將環境中的各個特征點提取出來，省略掉不必要的細節，此方法不太適合信息量較大的復雜地圖。網格法較為常用，其特點是建立和維護相對便捷，信息量適中，便于多個地圖的融合。移動機器人在室內運動時，使用機身裝配的各種傳感器（例如聲波傳感器、攝像頭、激光雷達）獲取外部環境的局部地圖，將此局部地圖和機器人內部的全局地圖對比，便可實現定位。[4]

地圖未知定位法是指移動機器人在一未知的環境中，移動的同時利用自身傳感器構建外部環境地圖，然后在已建立環境地圖信息的基礎上，實時更新自身的位姿信息，此技術也叫作同時定位與地圖構建（SLAM）。在實際的算法中，機器人的位姿和環境特征都被表示成矢量，當地圖信息改變時，此矢量信息改變，機器人的位姿得到更新。

2.3 信標定位法

基于信標的定位方法是指，在機器人所處環境中的特征點位上安裝若干信標（激光發射器、磁感應器等），機器人利用傳感器對信標的測量計算出自身位姿，信標定位用傳感器多以超聲波傳感器、激光雷達、視覺傳感器、電磁感應器為主。此方法依賴于環境中的信標，所以器件安裝和維保使用成本較高，但是定位精度較高，且不受外界環境影響，只是當外界環境動態改變時，傳感器檢測存在盲點。

機器人信標定位多采用三邊定位法（圖3），其數學原理為三球交匯于一點，定位機器人位置至少需要三個位置確定的節點（又稱為錨節點），傳感器安裝在機器人上且能實時接收節點的信號。從理論上分析，信標數量越多，定位精度越高，但是信標密度的提升則會大幅提高成本，因此，低密度超聲波定位是未來的重要研究方向。

2.4 無線通信定位

移動機器人工作場景大多在室內，而不論是商用還是普通家庭用，其工作環境中一般都存在著無線通信信號，例如WiFi、ZigBee、Bluetooth等，這為無線通信定位提供了良好的應用場景。無線通信定位又稱為無線傳感器網絡定位，其主要是利用機器人自帶的無線網絡接收器接收網絡信號，通過對信號強度的分析，采用算法計算出機器人的當前位置，其主要利用無線網絡信號隨著傳播距離逐漸衰弱的特點完成模型建立。此方法的優勢在于可以直接利用室內的各種無線網絡，定位方案操作簡單，但是由于一般的WiFi的發射功率較低，所以算法計算結果誤差較大，這是其主要劣勢。所以，將算法優化，從而可以在弱信號中發現信號衰減特征是未來無線通信定位的熱點方向。

3 結語

除了上文分析的四種主要定位方法外，還有諸如基于RFID的定位、基于概率的定位、基于貝葉斯理論的定位和基于卡爾曼濾波的定位等，這些方法通常需要和四種主要方法相結合使用。綜上所述，筆者認為，以后的移動機器人室內定位技術將從以下幾個方面展開突破：

（1）對定位所用傳感器的精度進行提高，減小使用過程中的絕對誤差和重復性誤差;

（2）提高算法的計算效率，減小計算時延，對于提高移動機器人運動速率提供有力保障;

（3）由于單一的定位技術存在較大誤差且可靠性不足，因此，研究組合定位技術，將各種定位技術的結果相互補償，提高計算精度和系統可靠性。

參考文獻

[1] 楊俊駒，林睿，王振華，等.輪式移動機器人運動控制系統研究與設計[J].現代電子技術，2016，39（2）：22-27.

[2] 苑晶，李陽，董星亮，等.基于運動模式在線分類的移動機器人目標跟蹤[J].儀器儀表學報，2017，38（3）：568-577.

[3] 王志，朱世強，李月華，等.基于視覺里程計和自然信標融合的移動機器人定位算法[J].農業工程學報，2017，33（10）：70-77.

[4] 步新宇，項玉.智能移動機器人定位技術[J].科技展望，2016，26（10）：15-19.