智能機器人導航控制技術(shù)綜述-

1、收稿日期：20；修訂日期：20。作者簡介：李成進，主要從事慣性導航定位方面的研究。Email:@智能移動機器人導航控制技術(shù)綜述李成進1，王芳2（1海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處，云南昆明2航天科工智能機器人有限責任公司，北京100074）摘要：智能移動機器人在制造業(yè)、服務業(yè)、軍事、星際探測等領(lǐng)域獲得了廣泛的應用，導航是智能移動機器人實現(xiàn)自主控制需要解決的重要問題。對不同領(lǐng)域智能移動機器人導航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行了調(diào)研。針對環(huán)境感知與建模、定位

2、和路徑規(guī)劃等機器人導航控制關(guān)鍵技術(shù)，深入分析了其實現(xiàn)方法。在此基礎(chǔ)上歸納出智能移動機器人導航控制未來的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：智能移動機器人；導航；環(huán)境感知；定位；路徑規(guī)劃中圖分類號：TP242文獻標識碼：A文章編號：ReviewofnavigationcontroltechnologyofintelligentmobilerobotLiChengjing1WANGFang2（1NavyMilitaryRepresentativeOffice

3、InKunmingAreaKunmingChina2AerospaceScienceNavigationEnvironmentalperceptionlocalizationPathplanning0引言引言20世紀90年代，以計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)等為標志的現(xiàn)代科技革命進入快速發(fā)展階段，成為促進機器人技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在推動力，機器人技術(shù)得到了飛速發(fā)展。智能移動機器人是能夠依靠自身攜帶的傳感器感知理解外界環(huán)境，根據(jù)任務需

4、要實時決策，進行閉環(huán)控制，以自主或半自主方式進行作業(yè)，在已知或未知環(huán)境中具有一定自我學習和適應能力的新型機器人。目前，智能移動機器人在制造業(yè)、服務業(yè)、軍事、星際探測等領(lǐng)域獲得了廣泛的應用，并將對未來科技的發(fā)展以及人類生活方式產(chǎn)生深遠的影響?！皩Ш健笔侵悄芤苿訖C器人實現(xiàn)自主控制需要解決的重要問題，是指移動機器人通過傳感器和學習，感知環(huán)境和本身狀態(tài)，實現(xiàn)有障礙環(huán)境中指向目標自主運動的過程。1智能移動機器人發(fā)展現(xiàn)狀智能移動機器人發(fā)展現(xiàn)狀以美國

5、、德國、日本等為代表的機器人技術(shù)發(fā)達國家對機器人自主導航技術(shù)開展了較為深入的研究，目前已取得了一些成果，具有自主導航功能的機器人在工業(yè)、服務、外星探測、軍事等領(lǐng)域獲得了不同程度的應用。移動機器人最成功的應用是在機場、碼頭、工廠中實現(xiàn)物流自動化的自動導引車——AGV，如圖1a)所示。AGV一般配備車載計算機、通訊裝置和物料裝卸裝置，隨著科技的發(fā)展，整機復雜性和自動化程度都大大提高。常用的導航方式有視覺導引、磁導引、電磁導引和慣性導引等[1

6、2]。在電力、煤礦等領(lǐng)域可采用智能移動機器人代替人工完成危險作業(yè)，或枯燥的重復作業(yè)。如，卡內(nèi)基梅隆大學機器人研究中心所開發(fā)的Groundhog全自主礦井探測機器人可用于探測井下環(huán)境，精確中的行人、車輛、動物等熱目標。由于視覺信息本身不攜帶距離信息，為了從圖像中獲得距離等度量信息，立體視覺是通常采用的方案。2）激光雷達：具有探測距離遠（幾十米，甚至上百米）、測量精度高，可進行線掃描和面掃描等特點，廣泛應用于機器人防撞和環(huán)境建模。線掃描激光

7、雷達只能得到環(huán)境的二維模型，面掃描激光雷達可以得到環(huán)境的三維模型。3）毫米波雷達：工作在毫米波段，工作頻率通常在30~300GHz。毫米波雷達掃描可用于防撞。相比于視覺傳感器、激光雷達，毫米波穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候、全天時的特點。4）紅外測距傳感器：波長大約在幾百nm范圍內(nèi)。不受電磁波的干擾，非噪聲源，可實現(xiàn)非接觸性快速測量，價格低廉。物體顏色、方向、周圍光線會導致測量誤差，測距范圍較近，一般在3m左右。5）超聲波測距傳感

8、器：頻率在2000Hz以上的機械振動波，傳播具有一定的方向性，價格較低。比紅外傳感器精確，但易發(fā)生鏡面反射導致測距出錯，波束角較大，反射目標點的準確方位難以確定。上述各類傳感器在移動機器人環(huán)境感知和建模中發(fā)揮著不同的作用。其中超聲波、紅外測距傳感器由于測量精度有限，一般只用于障礙物檢測，而不用于環(huán)境特征識別與建模。毫米波雷達主要用于無人駕駛或輔助駕駛的防撞報警。視覺傳感器和激光雷達是移動機器人環(huán)境感知和建模的最常用傳感器，表1對兩類傳感

9、器感知信息內(nèi)容和常用感知算法進行了歸納總結(jié)[7~12]。表1各傳感器感知信息及方法Tab.1Perceptualinfmationapproachesofdifferentsenss視覺傳感器激光雷達道路邊界基于灰度特征（Hough變換），基于彩色特征（神經(jīng)網(wǎng)絡），基于模型（Hough變換、模板匹配、神經(jīng)網(wǎng)絡）的識別方法。適用于道路邊界高出路面的情況，單線激光雷達：擴展Kalman濾波、最大熵原理、斷點分割法、隨機密度法；多線激光雷達：

10、基于道路邊界特征的方法，聚類算法和最小二乘法。交通標志SIFT特征匹配，MSER不變量提取算法，形狀標記圖和Gab小波激光雷達不適于交通標志識別。法，Zernike矩和BP網(wǎng)絡法障礙物檢測立體視覺：基于自適應分割的方法、逆透視投影變換法。多線激光雷達：基于自適應濾波器的方法、基于融合規(guī)則沖突系數(shù)的方法環(huán)境特征提取及定位基于圖像外觀的環(huán)境特征分析與提?。ǘ嗑S直方圖、主元分析）；基于興趣點的環(huán)境特征提取（拐點、角點、SIFT）?；谔卣骶€的

11、環(huán)境特征提取，擴展Kalman濾波法、馬爾科夫定位法、蒙特卡洛定位法、最大似然估計、ICP(iterativeclosestpoint)等。由于各類傳感器工作機理、作用范圍、適用環(huán)境不同，感知信息的種類和能力也不盡相同。通常一個機器人需配備多種傳感器，采用多信息融合技術(shù)綜合利用多傳感器信息，消除冗余，并加以互補。從而提高對環(huán)境變化的適應性，使機器人能夠獲取更完備的環(huán)境信息。根據(jù)環(huán)境模型的形式可以將環(huán)境建模分為基于概率格、幾何信息、拓撲信

12、息、三維環(huán)境信息的環(huán)境建模。根據(jù)環(huán)境模型的坐標系，可以將其分為局部建模和全局環(huán)境建模。在環(huán)境建模技術(shù)方面，依次出現(xiàn)了基于傳感器的單元分解建模技術(shù)、幾何建模技術(shù)、拓撲建模技術(shù)，自1990年以來，概率技術(shù)在環(huán)境建模領(lǐng)域逐漸占據(jù)主導地位，包括擴展卡爾曼濾波（EKF）、極大似然估計法（MLE）。在復雜未知環(huán)境中，由于先驗知識的匱乏和環(huán)境的不確定性，使得并發(fā)環(huán)境建模與定位方法（SLAM）成為研究熱點，但推廣到工程應用，還需要在實時性、魯棒性和準確

13、性三個方面取得突破[13]。2.2定位定位移動機器人必須具有定位的能力，其目的就是確定機器人在運行環(huán)境中相對于世界坐標系的位置及航向[14]。目前機器人定位方法分為以下幾類。1）衛(wèi)星定位：在室外無遮時，可以利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)對機器人定位。但是在城市、隧道、室內(nèi)等環(huán)境下，因衛(wèi)星信號遮擋無法應用。可采用雙天線衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲得航向，航向精度與基線長度有關(guān)。2）慣性定位：通過對固聯(lián)在載體上的三軸加速度計、三軸陀螺儀進行積分，獲得載體實時、連續(xù)的位