人工智能和機(jī)器人領(lǐng)域著名的莫拉維克悖論表示：和傳統(tǒng)假設(shè)不同，對(duì)計(jì)算機(jī)而言，實(shí)現(xiàn)邏輯推理等人類高級(jí)智慧只需要相對(duì)很少的計(jì)算能力，而實(shí)現(xiàn)感知、運(yùn)動(dòng)等低等級(jí)智慧卻需要巨大的計(jì)算資源。
已經(jīng)在“人類最后智力驕傲”上碾壓人類的Google DeepMind的人工智能程序AlphaGo，卻連挪動(dòng)一枚小小的棋子都需要人類幫助才能完成，是莫拉維克悖論有力的證明，讓計(jì)算機(jī)在智力測試或者下棋中展現(xiàn)出一個(gè)成年人的水平是相對(duì)容易的，但是要讓計(jì)算機(jī)有如一歲小孩般的感知和行動(dòng)能力卻是相當(dāng)困難。
而在機(jī)器人系統(tǒng)中，自主導(dǎo)航是一項(xiàng)核心技術(shù)，是賦予機(jī)器人感知和行動(dòng)能力的關(guān)鍵。下面為大家盤點(diǎn)一下自主移動(dòng)機(jī)器人常用的四種導(dǎo)航定位方法。
1、視覺導(dǎo)航定位
在視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的是基于局部視覺的在機(jī)器人中安裝車載攝像機(jī)的導(dǎo)航方式。在這種導(dǎo)航方式中，控制設(shè)備和傳感裝置裝載在機(jī)器人車體上，圖像識(shí)別、路徑規(guī)劃等高層決策都由車載控制計(jì)算機(jī)完成。
視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要包括：攝像機(jī)（或CCD 圖像傳感器）、視頻信號(hào)數(shù)字化設(shè)備、基于DSP的快速信號(hào)處理器、計(jì)算機(jī)及其外設(shè)等。現(xiàn)在有很多機(jī)器人系統(tǒng)采用CCD 圖像傳感器，其基本元件是一行硅成像元素，在一個(gè)襯底上配置光敏元件和電荷轉(zhuǎn)移器件，通過電荷的依次轉(zhuǎn)移，將多個(gè)象素的視頻信號(hào)分時(shí)、順序地取出來，如面陣CCD傳感器采集的圖像的分辨率可以從32×32到1024×1024像素等。
視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)的工作原理簡單說來就是對(duì)機(jī)器人周邊的環(huán)境進(jìn)行光學(xué)處理，先用攝像頭進(jìn)行圖像信息采集，將采集的信息進(jìn)行壓縮，然后將它反饋到一個(gè)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法構(gòu)成的學(xué)習(xí)子系統(tǒng)，再由學(xué)習(xí)子系統(tǒng)將采集到的圖像信息和機(jī)器人的實(shí)際位置聯(lián)系起來，完成機(jī)器人的自主導(dǎo)航定位功能。
2、光反射導(dǎo)航定位
典型的光反射導(dǎo)航定位方法主要是利用激光或紅外傳感器來測距。激光和紅外都是利用光反射技術(shù)來進(jìn)行導(dǎo)航定位的。
激光全局定位系統(tǒng)一般由激光器旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、反射鏡、光電接收裝置和數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置等部分組成。工作時(shí)，激光經(jīng)過旋轉(zhuǎn)鏡面機(jī)構(gòu)向外發(fā)射，當(dāng)掃描到由后向反射器構(gòu)成的合作路標(biāo)時(shí)，反射光經(jīng)光電接收器件處理作為檢測信號(hào)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序讀取旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的碼盤數(shù)據(jù)（目標(biāo)的測量角度值），然后通過通訊傳遞到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)已知路標(biāo)的位置和檢測到的信息，就可以計(jì)算出傳感器當(dāng)前在路標(biāo)坐標(biāo)系下的位置和方向，從而達(dá)到進(jìn)一步導(dǎo)航定位的目的。
如圖是一個(gè)LDSR激光傳感器系統(tǒng)原理框圖。激光測距具有光束窄、平行性好、散射小、測距方向分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它也受環(huán)境因素干擾比較大，因此采用激光測距時(shí)怎樣對(duì)采 集的信號(hào)進(jìn)行去噪等也是一個(gè)比較大的難題，另外激光測距也存在盲區(qū)，所以光靠激光進(jìn)行導(dǎo)航定位實(shí)現(xiàn)起來比較困難，在工業(yè)應(yīng)用中，一般還是在特定范圍內(nèi)的工業(yè)現(xiàn)場檢測，如檢測管道裂縫等場合應(yīng)用較多。
紅外傳感技術(shù)經(jīng)常被用在多關(guān)節(jié)機(jī)器人避障系統(tǒng)中，用來構(gòu)成大面積機(jī)器人“敏感皮膚”，覆蓋在機(jī)器人手臂表面，可以檢測機(jī)器人手臂運(yùn)行過程中遇到的各種物體。典型的紅外傳感器工作原理如圖所示。該傳感器包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管。由紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)，紅外光敏管接收目標(biāo)物反射的紅外調(diào)制信號(hào)，環(huán)境紅外光干擾的消除由信號(hào)調(diào)制和專用紅外濾光片保證。設(shè)輸出信號(hào)Vo 代表反射光強(qiáng)度的電壓輸出，則Vo是探頭至工件間距離的函數(shù)：
Vo=f(x，p)
式中，p—工件反射系數(shù)。p與目標(biāo)物表面顏色、粗糙度有關(guān)。x—探頭至工件間距離。
當(dāng)工件為p 值一致的同類目標(biāo)物時(shí)，x 和Vo 一一對(duì)應(yīng)。x可通過對(duì)各種目標(biāo)物的接近測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到。這樣通過紅外傳感器就可以測出機(jī)器人距離目標(biāo)物體的位置，進(jìn)而通過其他的信息處理方法也就可以對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航定位。
雖然紅外傳感定位同樣具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)樗鼈兘嵌确直媛矢撸嚯x分辨率低，因此在移動(dòng)機(jī)器人中，常用作接近覺傳感器，探測臨近或突發(fā)運(yùn)動(dòng)障礙，便于機(jī)器人緊急停障。
3、GPS 全球定位系統(tǒng)
如今，在智能機(jī)器人的導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用中，一般采用偽距差分動(dòng)態(tài)定位法，用基準(zhǔn)接收機(jī)和動(dòng)態(tài)接收機(jī)共同觀測4 顆GPS衛(wèi)星，按照一定的算法即可求出某時(shí)某刻機(jī)器人的三維位置坐標(biāo)。差分動(dòng)態(tài)定位消除了星鐘誤差，對(duì)于在距離基準(zhǔn)站1000km的用戶，可以消除星鐘誤差和對(duì)流層引起的誤差，因而可以顯著提高動(dòng)態(tài)定位精度。
但是因?yàn)樵谝苿?dòng)導(dǎo)航中，移動(dòng)GPS接收機(jī)定位精度受到衛(wèi)星信號(hào)狀況和道路環(huán)境的影響，同時(shí)還受到時(shí)鐘誤差、傳播誤差、接收機(jī)噪聲等諸多因素的影響，因此，單純利用GPS導(dǎo)航存在定位精度比較低、可靠性不高的問題，所以在機(jī)器人的導(dǎo)航應(yīng)用中通常還輔以磁羅盤、光碼盤和GPS的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航。另外，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)也不適應(yīng)用在室內(nèi)或者水下機(jī)器人的導(dǎo)航中以及對(duì)于位置精度要求較高的機(jī)器人系統(tǒng)。
4、超聲波導(dǎo)航定位
超聲波導(dǎo)航定位的工作原理也與激光和紅外類似，通常是由超聲波傳感器的發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波，超聲波在介質(zhì)中遇到障礙物而返回到接收裝置。通過接收自身發(fā) 射的超聲波反射信號(hào)，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收時(shí)間差及傳播速度，計(jì)算出傳播距離S，就能得到障礙物到機(jī)器人的距離，即有公式： S=Tv/2 式中，T—超聲波發(fā)射和接收的時(shí)間差；v—超聲波在介質(zhì)中傳播的波速。
當(dāng)然，也有不少移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航定位中用到的是分開的發(fā)射和接收裝置，在環(huán)境地圖中布置多個(gè)接收裝置，而在移動(dòng)機(jī)器人上安裝發(fā)射探頭。
在移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航定位中，因?yàn)槌暡▊鞲衅髯陨淼娜毕荩纾虹R面反射、有限的波束角等，給充分獲得周邊環(huán)境信息造成了困難，因此，通常采用多傳感器組成 的超聲波傳感系統(tǒng)，建立相應(yīng)的環(huán)境模型，通過串行通信把傳感器采集到的信息傳遞給移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再根據(jù)采集的信號(hào)和建立的數(shù)學(xué)模型采取一 定的算法進(jìn)行對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)處理便可以得到機(jī)器人的位置環(huán)境信息。
由于超聲波傳感器具有成本低廉、采集信息速率快、距離分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，長期以來被廣泛地應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航定位中。而且它采集環(huán)境信息時(shí)不需要復(fù)雜的圖像配備技術(shù)，因此測距速度快、實(shí)時(shí)性好。同時(shí)，超聲波傳感器也不易受到如天 氣條件、環(huán)境光照及障礙物陰影、表面粗糙度等外界環(huán)境條件的影響。超聲波進(jìn)行導(dǎo)航定位已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各種移動(dòng)機(jī)器人的感知系統(tǒng)中。
