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掃地機(jī)器人室內(nèi)定位技術(shù)解析

相信屏幕前的各位看官應(yīng)該都有過(guò)掃地的經(jīng)歷，回想一下掃地的過(guò)程，可以分解為兩個(gè)主要的動(dòng)作：走到某個(gè)位置；將其打掃干凈。與之相應(yīng)的，作為人類掃地勞動(dòng)的替代者——掃地機(jī)器人也包含兩個(gè)主要的系統(tǒng)：自主導(dǎo)航系統(tǒng)和清掃系統(tǒng)。　　如果說(shuō)清掃系統(tǒng)是掃地機(jī)器人冠以掃地之名的本錢(qián)，是掃地機(jī)器人之心；那么自主導(dǎo)航系統(tǒng)就是它冠以機(jī)器人之名的底氣，是掃地機(jī)器人之腦。如果沒(méi)有自主導(dǎo)航系統(tǒng)，那么它只能被稱為掃地機(jī)器而不是掃地機(jī)器人。下面就讓我們具體來(lái)看一下掃地機(jī)器人的底氣是怎么產(chǎn)生的。　　| 機(jī)器人導(dǎo)航的三個(gè)經(jīng)典問(wèn)題　　　　說(shuō)到機(jī)器人的自主導(dǎo)航，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)可以歸結(jié)為由MIT教授John J. Leonard和原悉尼大學(xué)教授Hugh Durrant-Whyte提出的三個(gè)問(wèn)題：　　（1）Where am I ？　　（2）Where I am going？　　（3）How should I go there？　　第一個(gè)問(wèn)題是機(jī)器人的定位問(wèn)題，即如何根據(jù)現(xiàn)在觀測(cè)到的和前面已知的信息，判斷機(jī)器人在當(dāng)前環(huán)境中的位置。第二個(gè)和第三個(gè)問(wèn)題，實(shí)際上就是指定一個(gè)目標(biāo)，然后規(guī)劃一定的路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。對(duì)一般的移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，這個(gè)目標(biāo)是一個(gè)點(diǎn)，即點(diǎn)到點(diǎn)導(dǎo)航。而對(duì)掃地機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其目標(biāo)不是到達(dá)某一點(diǎn)，而是遍歷某一個(gè)區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)對(duì)房間的清掃。今天讓我們先來(lái)看一下第一個(gè)問(wèn)題，即掃地機(jī)器人的定位。　　定位是包括掃地機(jī)器人在內(nèi)的移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航中最基本的環(huán)節(jié)，也是完成任務(wù)必須解決的問(wèn)題。說(shuō)到定位，大家首先想到的可能是GPS定位、基站定位等常用的室外定位。　　與之不同，掃地機(jī)器人的定位都是室內(nèi)定位，其要求定位精度高（最少在亞米級(jí)），實(shí)時(shí)性好，GPS、基站定位等方法無(wú)法滿足。掃地機(jī)器人定位總體上可以分為相對(duì)定位和絕對(duì)定位，下面我們分別來(lái)看。　　| 相對(duì)定位法　　航位推算法（Dead-Reckoning Method）是一種經(jīng)典的相對(duì)定位法，也是掃地機(jī)器人目前最為廣泛使用的一種定位方法。它利用機(jī)器人裝備的各種傳感器獲取機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)信息，通過(guò)遞推累計(jì)公式獲得機(jī)器人相對(duì)初試狀態(tài)的估計(jì)位置。航位推算較常使用的傳感器一般有：碼盤(pán)，慣性傳感器（如陀螺儀、加速度計(jì)）等。　　碼盤(pán)法一般使用安裝在車(chē)輪上的光電碼盤(pán)記錄車(chē)輪的轉(zhuǎn)數(shù)，進(jìn)而獲得機(jī)器人相對(duì)于上一采樣時(shí)刻位置和姿態(tài)的改變量，通過(guò)這些位移量的累積就可以估計(jì)機(jī)器人的位置。碼盤(pán)法優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但其容易受標(biāo)定誤差、車(chē)輪打滑、顛簸等因素影響，誤差較大。但是由于碼盤(pán)價(jià)格便宜，簡(jiǎn)單易用，可用于機(jī)器人較短時(shí)間距離內(nèi)的位置估計(jì)。　　慣性傳感器使用陀螺儀和加速度計(jì)得到機(jī)器人的角加速度和線加速度信息，通過(guò)積分獲得機(jī)器人的位置信息。一般情況下，使用慣性傳感器的定位精度高于碼盤(pán)，但是其精度也要受陀螺儀漂移、標(biāo)定誤差、敏感度等問(wèn)題影響。無(wú)論是使用碼盤(pán)還是慣性傳感器，它們都存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)：有累積誤差，隨著行駛時(shí)間、距離的不斷增加，誤差也不斷增大。因此相對(duì)定位法不適合于長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離的精確定位。　　| 絕對(duì)定位法　　絕對(duì)定位法是指機(jī)器人通過(guò)獲得外界一些位置等己知的參照信息，通過(guò)計(jì)算自己與參照信息之間的相互關(guān)系，進(jìn)而解算出自己的位置。。絕對(duì)定位主要采用基于信標(biāo)的定位、環(huán)境地圖模型匹配定位、視覺(jué)定位等方法。　　基于信標(biāo)的定位　　　　信標(biāo)定位原指在航海或航空中利用無(wú)線電基站發(fā)出的無(wú)線電波實(shí)現(xiàn)定位與導(dǎo)航的技術(shù)。對(duì)機(jī)器人室內(nèi)定位而言是指，機(jī)器人通過(guò)各種傳感器接收或觀測(cè)環(huán)境中已知位置的信標(biāo)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出機(jī)器人與信標(biāo)的相對(duì)位置，再代入已知的信標(biāo)位置坐標(biāo)，解出機(jī)器人的絕對(duì)坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。用于定位的信標(biāo)需滿足3個(gè)條件：　　（1）信標(biāo)的位置固定且信標(biāo)的絕對(duì)坐標(biāo)已知；　　（2）信標(biāo)具有主被動(dòng)特征，易于辨識(shí)；　　（3）信標(biāo)位置便于從各方向觀測(cè)。　　信標(biāo)定位方式主要有三邊測(cè)量和三角測(cè)量。三邊測(cè)量是根據(jù)測(cè)量得到的機(jī)器人與信標(biāo)的距離來(lái)確定移動(dòng)機(jī)器人位置的方法。三邊測(cè)量定位系統(tǒng)至少需要3個(gè)已知位置的發(fā)射器（或接收器），而接收器（或發(fā)射器）安裝在移動(dòng)機(jī)器人上。三角測(cè)量和三邊測(cè)量的思路大體一致，通過(guò)測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人與信標(biāo)之間的角度來(lái)進(jìn)行定位。　　　　基于信標(biāo)的定位系統(tǒng)依賴于一系列環(huán)境中已知特征的信標(biāo)，并需要在移動(dòng)機(jī)器人上安裝傳感器對(duì)信標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)。用于信標(biāo)觀測(cè)的傳感器有很多種，比如超聲波傳感器、激光雷達(dá)、視覺(jué)傳感器等。可以實(shí)時(shí)測(cè)量，沒(méi)有累進(jìn)誤差，精度相對(duì)較高、穩(wěn)定性好，提供快速、穩(wěn)定、精確的絕對(duì)位置信息，但安裝和維護(hù)信標(biāo)花費(fèi)很高。市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)較為成熟的基于信標(biāo)定位的信標(biāo)定位掃地機(jī)器人，如Proscenic的模擬GPS衛(wèi)星三點(diǎn)定位技術(shù)，iRobot的Northstar導(dǎo)航定位技術(shù)，但由于其價(jià)格較為昂貴，它們都用于相對(duì)高端的產(chǎn)品中。

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