室外智能移動機器人的發展及其關鍵技術研究

賀喜

【摘 ?要】在當今時代對智能機器人的研究越來越火熱，尤其是室外智能移動機器人的研究和發展前景可謂是一片遼闊和光明。本文主要從室外移動機器人的幾個典型系統和關鍵技術進行研究分析并對其發展狀況和水平進行簡要論述。

【關鍵詞】移動機器人;智能系統;信息融合;導航定位

一、引言

室外智能移動機器人是眾多研究機器人工程中的關鍵支系。它主要是具備人工智能控制、圖像及信息處理以及檢測轉換等諸多高新科技領域和專業學科的融合。是眼下機器人研究領域最為突出的探究熱點。在我們實際研究的機器人類型中室外智能移動機器人無疑是當前最能吸引人們眼球又具備很大的應用空間和前景且很貼近人們生活的研究。伴隨著身邊關于機器人的一些報道和普及，相信大家聽到室外智能移動機器人這項研究時不再是那么遙不可及的事情。因為現在一提到無人駕駛技術相信大家都很樂于見到它的應用，而且能明顯感覺到這種技術即將來到我們的生活并很大程度上提高我們的生活質量。所以，對室外智能移動機器人關鍵技術的研究具有十分重要的意義。

二、室外智能移動機器人研究中的關鍵技術

室外智能移動機器人是一個結構相當龐雜的系統，它除了具有跟普通汽車相類似的功能即控制行駛速度、行駛方向等常規操作外更重要的是他還加入了很多人工智能的技術和內容，來代替人類實行相關的任務。例如說自主導航和規劃相應合理的路徑、感知并分析周圍環境等。因此，根據它的具體作用和運行機制，可以將室外智能移動機器人看作像人一樣具有智力上的分析和思考并做出具體的決策來指導自己實現相關的操作，但這一切的基礎是建立在具備智能化技術和移動機制且結合了一些其他高新技術的機械智能系統之上。雖然說室外智能移動機器人的研究包括很多方面如檢測與轉換技術 傳感器技術、運動控制技術和人工智能等，但主要的還是集中于一些關鍵技術的研發和突破工作上。

（一）環境信息分析處理技術

一個健全的人類依靠一雙明亮的眼睛來規劃出他日常行進的道路，用眼睛來汲取周圍環境的信息再通過大腦思考來進一步做出決策。同樣，類比人類的眼睛結構由眼球、視網膜、視覺神經等組成，室外智能移動機器人的視覺體系結構中的核心構成則是機器人SLAM系統，SLAM系統通常具有激光SLAM和基于視覺的VSLAM，其機制是對各種傳感器數據進行采集和計算并生成對應自身位置姿態的定位和場景地圖信息，來指導下一步的行動。另外有一些機器人視覺體系里還會加入三維激光雷達技術來汲取周圍環境的具體信息。室外移動機器人這樣的視覺體系可否準確的汲取到相關的環境信息對機器人在行駛過程中精確實現路徑跟蹤和高效避讓一些路障十分關鍵。通過視覺感應環境信息并分析處理的技術作為室外智能移動機器人研究過程的關鍵環節，主要內容是相關信息的壓縮和濾波、障礙物檢測、路徑檢測、交通標志識別等。其中的道路檢測和障礙物檢測最為重要，同時它又是相對復雜跟困難的任務。對于室外智能移動機器人來說，視覺信息的集取便是局部路徑規劃以及實時導航的條件。在具體的道路檢測任務中有沒有做到準確到位在某種程度上可以直接影響實際中具體道路環境的識別，間接決定了能否準確無誤的做到局部路徑規劃及路徑跟蹤。在實際的技術研發中，為達到簡化信息處理降低開發難度，往往把室外智能移動機器人的工作環境區分為結構化道路和非結構化道路兩種環境。其中的結構化道路比較容易實現檢測，通常都是以邊緣檢測技術為基礎進行模式匹配等，并用最小二乘法的處理對應道路邊界線。進而得出具體的道路幾何形狀的描述。而另外一種即非結構化道路則體現出一種相對復雜環境檢測，對于它的特征描述比較困難，也導致了非結構化道路信息檢測和處理的復雜性。

（二）室外智能移動機器人的定位系統

室外智能移動機器人的行駛任務需要建立在準確的定位基礎上。而不同類型定位技術的應用對應的各自都具有相應的優缺點，所以實際的室外智能移動機器人中結合不同的定位技術綜合使用，來提升相應定位的準確性和可靠性。而這一過程主要涉及到的技術有蒙托卡羅（MCL）定位計算方法和IMU、陀螺儀、雷達定位等。其中的螺旋儀是一種用來傳感與維持方向的傳感器，它主要是由一個位于軸心且可旋轉的轉子構成。一旦開始旋轉，由于轉子的角動量，讓其有抗拒方向改變的趨向，而慣性傳感器（IMU）主要是檢測和測量加速度、傾斜、沖擊、振動、旋轉和多自由度（DoF）運動。通過IMU和陀螺儀及MCL的組合應用，可以明顯增強機器人本身的定位精確度，從而更準確的完成相應的任務。

（三）多傳感器的信息融合技術

當實際生活中無人駕駛車輛行駛時需要持續不斷地收集和感應周邊環境的信息和自身的狀態信息。而因為其工作環境的復雜性加之無人駕駛車輛狀態的不確定特性跟單一傳感器的局限性形成了明顯的不匹配現象。所以單靠一種傳感器實則不可能實現對外部環境的準確感知。畢竟就算是人類也不是只靠單一的身體傳感機制就能完成相應工作的。因此，為了實現即使處于復雜且不確定的環境下智能移動機器人也能完成準確的自主性，往往在智能移動機器人中安裝不同種類的諸多傳感器。具體如通常用卡爾曼濾波、Dempster-Shafer 證據推理等技術將不同類型傳感器帶來的環境信息做出相應的融合跟集成處理，來精確地反映環境特征。這樣的信息融合可以有效的提高準確率，且環境信息不至于缺乏關鍵環節。而且在另一個方向上可以有效保證機器人的運轉效率，一定程度上降低相應的成本。

（四）機器人控制技術與路徑規劃技術

在室外智能移動機器人研究中，車體控制技術其根本目的跟關鍵要點。而智能移動機器人的導航跟控制工作的基礎是而路徑規劃。室外智能移動機器人的行為應該依照具體的環境信息狀況結合給定的任務和變化的環境來實時進行車體的控制。這樣一個過程中，第一，要能準確理解給定的任務，并作出相應的全局路徑規劃。

而在具體的路徑規劃中，主要是利用一個完整的地圖數據庫里具備的信息來制定出一條暢通無阻的途徑，且是從起點至終點。當前主要分析和探究結構化道路在很多環境因素的影響下應對的路徑規劃技術，以及相對自然的地形基礎上的路徑規劃等。當然，還得把機器人運行過程中的對意外事故的反應及臨時調整路徑考慮進去。因為在全局規劃下的路徑比較的粗略，精細度不夠，如路徑的陡度、彎度、寬度、分岔路口和路上障礙物等具體信息的掌控遠遠能適用于實際行駛過程。所以，室外智能移動機器人在行進的過程中應該把局部環境感知和收集到的信息結合自身的狀態信息來做出具體的、明確的路徑規劃，且這個路徑是短程內暢通無阻的理想化路徑。這即是所謂的比較科學準確的局部路徑規劃。到了具體的控制機器的階段則需要依照上面的局部路勁規劃的結果和本機器的實時位置、行駛方向及行駛速度實施相應的決策，再進一步給機械裝置發出駕駛的指令。

三、結語

根據前文中的論述可知當前的室外智能移動機器人能夠實現的智能方面的自主性跟做到真正實用化的程度還具有比較遠的一段距離。可從另一個角度看，眼下我國在這領域內取得的一些研究成果依然是值得我們驕傲和激動的。相信伴隨著人工智能控制技術、先進機械制造工藝及互聯網計算機技術等高新技術的突破和進步，室外智能移動機器人技術的應用和推廣將很快來到我們的實際生活，并很好的為我們服務。

參考文獻：

[1]歐青立，何克忠.室外智能移動機器人的發展及其關鍵技術研究[J].機器人，2000，22（6）：519-526.

[2]劉俊承.室內移動機器人定位與導航關鍵技術研究[J].畢業生，2005.

（作者身份證號碼：420324198411253857）