人工智能和機器人領(ling)域著名的(de)(de)莫(mo)拉維克悖論(lun)表示(shi)：和傳(chuan)統假設不同，對計算機而言，實現(xian)邏(luo)輯推理等(deng)人類高級智慧(hui)只需要(yao)相對很少的(de)(de)計算能力，而實現(xian)感知、運動(dong)等(deng)低等(deng)級智慧(hui)卻需要(yao)巨大的(de)(de)計算資源。
已經在(zai)(zai)“人類最(zui)后智(zhi)力驕傲(ao)”上碾壓人類的(de)GoogleDeepMind的(de)人工智(zhi)能(neng)程序(xu)AlphaGo，卻(que)連挪動(dong)一枚(mei)小小的(de)棋子都(dou)需要人類幫助才能(neng)完成(cheng)(cheng)，是莫(mo)拉維克悖論有力的(de)證(zheng)明(ming)，讓計(ji)算機在(zai)(zai)智(zhi)力測試(shi)或者下棋中(zhong)展(zhan)現(xian)出一個成(cheng)(cheng)年人的(de)水平是相(xiang)對容易的(de)，但是要讓計(ji)算機有如(ru)一歲小孩般的(de)感知和行動(dong)能(neng)力卻(que)是相(xiang)當困難。
而在機器(qi)人(ren)(ren)系(xi)統(tong)中，自主導航是(shi)一項核心技術，是(shi)賦予機器(qi)人(ren)(ren)感知和行動能力(li)的關鍵。下(xia)面(mian)為大家盤點一下(xia)自主移動機器(qi)人(ren)(ren)常用的四種導航定(ding)位方法。
在(zai)視覺導航(hang)(hang)定位系統中(zhong)，目前國內外應用較多的是基于局部視覺的在(zai)機器(qi)人中(zhong)安裝車(che)載攝像機的導航(hang)(hang)方(fang)式。在(zai)這(zhe)種導航(hang)(hang)方(fang)式中(zhong)，控(kong)制設備和傳感裝置裝載在(zai)機器(qi)人車(che)體上，圖像識別(bie)、路徑規劃等高層決(jue)策都由車(che)載控(kong)制計(ji)算機完成。
視覺導(dao)航定位系統主要包括：攝像(xiang)機(或CCD圖(tu)(tu)像(xiang)傳感器(qi)(qi))、視頻信號(hao)數字化設(she)備、基于DSP的(de)(de)(de)快(kuai)速信號(hao)處理(li)器(qi)(qi)、計算機及其外設(she)等(deng)。現在有(you)很多機器(qi)(qi)人(ren)系統采用CCD圖(tu)(tu)像(xiang)傳感器(qi)(qi)，其基本元件是一行(xing)硅成像(xiang)元素，在一個襯底上(shang)配置光敏元件和電(dian)荷轉移器(qi)(qi)件，通過(guo)電(dian)荷的(de)(de)(de)依(yi)次轉移，將多個象素的(de)(de)(de)視頻信號(hao)分時、順序地取出來，如(ru)面陣CCD傳感器(qi)(qi)采集的(de)(de)(de)圖(tu)(tu)像(xiang)的(de)(de)(de)分辨率可以從32×32到1024×1024像(xiang)素等(deng)。
視覺(jue)導(dao)航定位系統的工作原理簡單說來(lai)就(jiu)是對機器人(ren)周邊的環境進行光學處理，先用攝(she)像頭進行圖(tu)像信息(xi)采(cai)集(ji)，將(jiang)采(cai)集(ji)的信息(xi)進行壓縮(suo)，然后將(jiang)它反(fan)饋到(dao)(dao)一個由神經(jing)網(wang)絡和(he)統計學方法構成的學習子系統，再(zai)由學習子系統將(jiang)采(cai)集(ji)到(dao)(dao)的圖(tu)像信息(xi)和(he)機器人(ren)的實際位置聯(lian)系起來(lai)，完成機器人(ren)的自主導(dao)航定位功能。
典型的光(guang)反(fan)射導(dao)航定(ding)位方法主要是利用(yong)(yong)激(ji)光(guang)或(huo)紅(hong)外(wai)傳感(gan)器來(lai)測距。激(ji)光(guang)和紅(hong)外(wai)都(dou)是利用(yong)(yong)光(guang)反(fan)射技術(shu)來(lai)進(jin)行導(dao)航定(ding)位的。
激光全局定位系統一般(ban)由激光器旋轉機構、反射鏡(jing)、光電接收裝(zhuang)置(zhi)和數據采集與(yu)傳輸裝(zhuang)置(zhi)等部分組成。
工作(zuo)(zuo)時，激光(guang)經過旋轉鏡面機(ji)構向外發射，當掃描(miao)到(dao)由后向反射器構成(cheng)的(de)(de)(de)合作(zuo)(zuo)路(lu)標(biao)時，反射光(guang)經光(guang)電接收器件(jian)處理作(zuo)(zuo)為檢測信號，啟(qi)動(dong)數(shu)(shu)(shu)據采集程序讀(du)取旋轉機(ji)構的(de)(de)(de)碼盤數(shu)(shu)(shu)據(目標(biao)的(de)(de)(de)測量(liang)角度值(zhi))，然后通過通訊(xun)傳遞(di)到(dao)上位(wei)機(ji)進行數(shu)(shu)(shu)據處理，根據已知路(lu)標(biao)的(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)和檢測到(dao)的(de)(de)(de)信息，就(jiu)可(ke)以(yi)計算出傳感器當前在路(lu)標(biao)坐標(biao)系下的(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)和方向，從而達到(dao)進一步導航定位(wei)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。
激光測距具(ju)有光束窄(zhai)、平行性(xing)好、散射(she)小、測距方(fang)向(xiang)分(fen)辨率高等(deng)優點，但同(tong)時它(ta)也受環境(jing)因素干(gan)擾(rao)比較(jiao)(jiao)大(da)，因此采用(yong)激光測距時怎樣對采集的信號進行去噪等(deng)也是一(yi)個比較(jiao)(jiao)大(da)的難題，另外激光測距也存(cun)在(zai)盲區(qu)，所以光靠激光進行導航定位實現(xian)起(qi)來比較(jiao)(jiao)困難，在(zai)工(gong)業(ye)應用(yong)中，一(yi)般還是在(zai)特定范圍(wei)內的工(gong)業(ye)現(xian)場檢測，如檢測管(guan)道裂縫等(deng)場合應用(yong)較(jiao)(jiao)多。
紅(hong)外(wai)傳感技術經常被(bei)用(yong)在(zai)多關(guan)節機(ji)器人避障系統中(zhong)，用(yong)來構成(cheng)大面(mian)(mian)積機(ji)器人“敏感皮膚”，覆蓋在(zai)機(ji)器人手臂表(biao)面(mian)(mian)，可(ke)以(yi)檢測機(ji)器人手臂運行過程中(zhong)遇到的各種物體。
典型的(de)紅(hong)外(wai)傳感器(qi)包括一(yi)個(ge)可以(yi)發射紅(hong)外(wai)光(guang)(guang)的(de)固態發光(guang)(guang)二(er)極(ji)管(guan)和一(yi)個(ge)用作接收器(qi)的(de)固態光(guang)(guang)敏二(er)極(ji)管(guan)。由紅(hong)外(wai)發光(guang)(guang)管(guan)發射經過調制的(de)信(xin)號，紅(hong)外(wai)光(guang)(guang)敏管(guan)接收目標物(wu)反射的(de)紅(hong)外(wai)調制信(xin)號，環境紅(hong)外(wai)光(guang)(guang)干擾的(de)消除由信(xin)號調制和專用紅(hong)外(wai)濾光(guang)(guang)片保證(zheng)。設輸出信(xin)號Vo代表反射光(guang)(guang)強度(du)的(de)電壓(ya)輸出，則Vo是探頭至工件間(jian)距離的(de)函數：
Vo=f(x，p)
式(shi)中，p—工件反射系(xi)數。p與(yu)目標物表(biao)面顏色、粗糙度有關(guan)。x—探頭(tou)至工件間距離。
當工件(jian)為p值一(yi)致的(de)同類目標物時，x和(he)Vo一(yi)一(yi)對應。x可通過(guo)(guo)對各種目標物的(de)接近測量(liang)實(shi)驗數據進行插值得(de)到。這樣(yang)通過(guo)(guo)紅外傳感器(qi)就(jiu)(jiu)可以測出機器(qi)人(ren)(ren)距(ju)離目標物體的(de)位(wei)置，進而(er)通過(guo)(guo)其(qi)他(ta)的(de)信息處理方法也就(jiu)(jiu)可以對移動(dong)機器(qi)人(ren)(ren)進行導(dao)航定位(wei)。
雖然紅(hong)外傳感(gan)定位同(tong)樣具有靈敏度(du)高(gao)、結構簡(jian)單、成本低等優點(dian)，但因為(wei)它們角度(du)分辨率(lv)高(gao)，而距離分辨率(lv)低，因此在(zai)移(yi)動(dong)機(ji)器人中，常用(yong)作接近覺傳感(gan)器，探測臨近或(huo)突發運(yun)動(dong)障礙，便于機(ji)器人緊(jin)急停障。
如今，在智能機(ji)器人的(de)(de)導(dao)航(hang)定(ding)位(wei)(wei)技術應用(yong)(yong)中，一般采用(yong)(yong)偽(wei)距(ju)差(cha)分(fen)動態(tai)(tai)定(ding)位(wei)(wei)法，用(yong)(yong)基(ji)準接(jie)收(shou)(shou)機(ji)和動態(tai)(tai)接(jie)收(shou)(shou)機(ji)共同觀測4顆GPS衛星(xing)，按照一定(ding)的(de)(de)算法即可求出(chu)某(mou)時某(mou)刻機(ji)器人的(de)(de)三維位(wei)(wei)置坐(zuo)標。差(cha)分(fen)動態(tai)(tai)定(ding)位(wei)(wei)消(xiao)(xiao)除了星(xing)鐘誤(wu)差(cha)，對于在距(ju)離(li)基(ji)準站1000km的(de)(de)用(yong)(yong)戶，可以消(xiao)(xiao)除星(xing)鐘誤(wu)差(cha)和對流層引起的(de)(de)誤(wu)差(cha)，因而可以顯著(zhu)提高動態(tai)(tai)定(ding)位(wei)(wei)精度。
但是因(yin)為在(zai)(zai)移動導(dao)航(hang)(hang)中(zhong)，移動GPS接收(shou)機(ji)(ji)定位(wei)(wei)精度(du)受到衛星信(xin)號狀況和道路環境的(de)(de)影響(xiang)(xiang)，同時還受到時鐘誤差、傳播誤差、接收(shou)機(ji)(ji)噪聲(sheng)等諸多因(yin)素(su)的(de)(de)影響(xiang)(xiang)，因(yin)此，單(dan)純利用GPS導(dao)航(hang)(hang)存在(zai)(zai)定位(wei)(wei)精度(du)比較低、可(ke)靠(kao)性不高的(de)(de)問題，所以(yi)在(zai)(zai)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人的(de)(de)導(dao)航(hang)(hang)應用中(zhong)通常還輔以(yi)磁羅盤、光碼(ma)盤和GPS的(de)(de)數(shu)據(ju)進行(xing)導(dao)航(hang)(hang)。另(ling)外，GPS導(dao)航(hang)(hang)系統也不適應用在(zai)(zai)室內或者水下機(ji)(ji)器(qi)(qi)人的(de)(de)導(dao)航(hang)(hang)中(zhong)以(yi)及對于位(wei)(wei)置精度(du)要求較高的(de)(de)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人系統。
超(chao)(chao)聲波(bo)導航定位的(de)工作(zuo)原理也與激光(guang)和(he)紅外類似，通常(chang)是由超(chao)(chao)聲波(bo)傳(chuan)感器的(de)發射探頭發射出超(chao)(chao)聲波(bo)，超(chao)(chao)聲波(bo)在(zai)介質(zhi)中遇(yu)到障礙(ai)物而返(fan)回到接(jie)收(shou)裝置。
通過(guo)接收(shou)自身(shen)發射(she)(she)的超聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)反(fan)射(she)(she)信號，根據超聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)發出及(ji)(ji)回波(bo)(bo)接收(shou)時(shi)間差及(ji)(ji)傳(chuan)播(bo)速度(du)，計算出傳(chuan)播(bo)距離S，就(jiu)能(neng)得(de)到障礙物到機器人的距離，即有公(gong)式(shi)：S=Tv/2式(shi)中(zhong)，T—超聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)發射(she)(she)和接收(shou)的時(shi)間差；v—超聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)在介質中(zhong)傳(chuan)播(bo)的波(bo)(bo)速。
當然，也有不少移動機(ji)器人導航(hang)定(ding)位中(zhong)用到的是分(fen)開(kai)的發(fa)射和接收裝(zhuang)置(zhi)，在環境地圖中(zhong)布置(zhi)多(duo)個接收裝(zhuang)置(zhi)，而在移動機(ji)器人上安裝(zhuang)發(fa)射探頭。
在移(yi)(yi)動機(ji)器(qi)人的(de)(de)(de)導航定位中，因為超(chao)聲波傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)自身的(de)(de)(de)缺陷，如(ru)：鏡面(mian)反射、有限的(de)(de)(de)波束角(jiao)等(deng)，給充分獲得周邊環境(jing)信息造成了困難，因此，通(tong)常采(cai)用多傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)組成的(de)(de)(de)超(chao)聲波傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)系統，建立相(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)環境(jing)模型，通(tong)過串行通(tong)信把傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)采(cai)集到(dao)的(de)(de)(de)信息傳(chuan)(chuan)(chuan)遞給移(yi)(yi)動機(ji)器(qi)人的(de)(de)(de)控(kong)制系統，控(kong)制系統再根據(ju)采(cai)集的(de)(de)(de)信號和建立的(de)(de)(de)數(shu)學模型采(cai)取一(yi)定的(de)(de)(de)算法(fa)進行對應(ying)數(shu)據(ju)處(chu)理便可以(yi)得到(dao)機(ji)器(qi)人的(de)(de)(de)位置環境(jing)信息。
由(you)于超(chao)聲波傳(chuan)感器具有成(cheng)本低(di)廉、采(cai)集信息速(su)率快、距離分辨率高等優(you)點(dian)，長期以來被廣泛地(di)應用到移(yi)動機器人(ren)的導航定(ding)位(wei)中。而且它采(cai)集環境信息時不需要復雜的圖像配備(bei)技(ji)術，因此測距速(su)度快、實時性好(hao)。
同時，超(chao)(chao)聲波(bo)傳感器(qi)也(ye)不易受到如天氣條(tiao)件(jian)(jian)、環境光(guang)照及障礙物陰影、表面粗糙度等(deng)外界環境條(tiao)件(jian)(jian)的影響。超(chao)(chao)聲波(bo)進行導(dao)航(hang)定位已(yi)經(jing)被廣(guang)泛應用(yong)到各種(zhong)移動機器(qi)人的感知系統(tong)中。