小型室內機器人定位技術的研究與應用

何春俐，張連軍

(1.佳木斯大學附屬第二醫院，黑龍江 佳木斯154007； 2.佳木斯大學 機械工程學院，黑龍江 佳木斯154007)

當今時代，機器人技術發展越來越快，很多人力勞動都被機器人代替，商業資金的注入更加促進了它的發展。如今，移動機器人應用更加廣泛，其定位技術就顯得非常重要。移動機器人定位是確定它在環境中所處位置的過程，是實現移動機器人導航能力的關鍵。目前，機器人的定位方式方法是隨著傳感器的發展而發展，隨著傳感器的應用不同，它的定位方式也會不一樣[1]。智能傳感器和新型傳感器的不斷應用使得小型室內移動機器人越來越智能化，定位越來越精準[2]。

1 國內外研究現狀

隨著人工智能和機器人技術的不斷進步，機器人逐漸在工業、航天、醫療等領域得到了廣泛應用。移動機器人要能夠依據自身所處的環境特征對于自身位置進行定位，定位的精度決定了機器人是否能夠準確又高效的完成任務[3]。

李明研究了基于移動機器人的定位系統。該系統是在室內環境中運行的，該系統定位誤差小于12 cm，在關聯系統中屬于定位精度比較準確的[4]。張磊研究的定位系統是由ZigBee 網絡構成的，他搭建的測試平臺和對相關參考點的計算通過改進算法來使定位精度得到提高，布局精度可達0.63 m，這種方法能夠滿足普通的定位要求[5]。崔冰石利用超聲波來實現機器人系統定位，在系統中還采用了無線定位電子標簽技術，該系統利用超聲波實現了距離測量，減少了定位的不確定性，同時可在一定環境下利用現有的射頻識別定位系統來實現定位，還可以通過無線電子標簽和機器人上的傳感器進行互相通信并進行計算來實現定位，這種方法定位精度很高[6]。Cui Feng提出了一種地圖匹配的方法，該方法采用了可信度算法，提高了移動機器人全球定位系統的定位精度，可以從GPS數據流中提取經緯度，建立電子地圖，并通過電子地圖來確定機器人運動軌跡。這種定位方法利用了全球定位系統的信息，可用這部分信息來服務于自身系統，但這種定位方法的精度主要依賴于全球定位系統提供的數據[7]。

2 小型室內機器人定位技術研究

小型室內移動機器人的研究發展很快，研究人員根據不同方法、不同技術的應用對定位精度進行比較，希望找出最佳方法，但每種方式和方法都各有利弊。根據室內移動機器人定位技術所采用的傳感器不同，現將室內機器人定位技術分為以下幾種：

2.1 視覺定位技術

視覺定位通過視覺傳感器來進行信息的采集和獲取。目前，大多采用高質量數碼照相機取得的高清圖像來作為信息來源，采集到的圖像需要進行分析和處理。視覺定位可以從外部或內部自主定位，也可以在外部的固定位置安裝圖片采集傳感器，在移動物體上安裝圖像敏感元件，以此來實現信息的傳遞，之后再通過圖像處理和算法來實現定位[8]。自主定位主要是指將照相機安裝在待定位的載體上，用于對收集到的圖像進行實時定位。視覺定位較為方便，容易實現，而且精度也比較高，定位誤差在幾毫米之內。但視覺定位往往需要一個強大的處理器和較大的資源庫。

2.2 超聲波定位技術

超聲波定位是根據超聲波的傳輸特性和原理來制造傳感器，把超聲波信號轉換成電參量，可以通過這種傳感器來發射和接受超聲波信號。由于超聲波信號具有較好的反射性質，而且聲波信號的傳播在相同媒介中變化很小，超聲波在空氣中的傳播速率可被認為是定值，可以將它的速度固定性和反射性質來作為定位的研究基礎。通過超聲波發射器發射超聲波信號，當超聲波遇到障礙物反射回來后，超聲波接收器就可以接收到反射回來的信號。在超聲波發射器發射信號時，通過電路芯片開始計時，直到超聲波接收器收到信號為止，這樣就能計算出發射器到障礙物的位移，可對多個超聲波傳感器進行計算來實現物體的精確定位。

2.3 紅外線定位技術

紅外線定位是通過傳感器來采集紅外線信號，可根據紅外線的能量及相位等信息進行采樣，并根據特征值和一定算法來進行定位，它的定位算法和其他定位方法有相似之處，但不同于其他方法，它大多是采用光學傳感器來接收信號。傳感器收到信號時，電源開關接通并傳輸信號，這時紅外信號就可以到達被測物體，并從采樣器發出信號，脈沖信號就會啟用計數器并輸入計數脈沖。與此同時，脈沖信號驅動計數器，當紅外信號從目標返回時會作用在光電探測器上，進而變成了電脈沖信號，然后通過放大器改變放大倍數，這個信號用于控制計數器進行計數，可通過記錄的脈沖數量來計算目標距離[9]。紅外線具有一定的衰減性，應用范圍不寬，對環境的敏感性較強。

2.4 激光雷達定位技術

激光雷達定位將激光器和雷達結合在一起做成組合單元，集合了激光和雷達的共同優點，能夠實現精確定位和測量功能，在高端定位領域應用廣泛。二者結合后，通過慣性測量單元可以打造抗出干擾強、定位精度高的定位系統，尤其是在移動定位和一些特殊環境的定位中，其定位優點較為突出，可實現高精度定位。但由于激光器和雷達構成的定位系統成本很高，其應用受到了一定限制。

3 結語

小型室內機器人定位技術是機器人學的核心研究領域，今后的研究重點是提高定位精度以及實現機器人的自主定位，并對定位算法進行完善和改進，以保證小型室內機器人定位技術的穩定性、快速性和有效性。