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根據易觀(guān)發(fā)布的《中國服務(wù)機器人市場(chǎng)趨勢預測2017-2019》顯示，2018年中國服務(wù)機器人市場(chǎng)規模將達到122.9億元人民幣，同比增長(cháng)27.2%。人工智能熱度持續升溫，各方面技術(shù)持續進(jìn)化。作為人工智能技術(shù)的最佳載體，服務(wù)機器人也繼續向醫療、物流、餐飲、客服等多個(gè)行業(yè)持續滲透。預計服務(wù)機器人市場(chǎng)在未來(lái)三年內仍將維持增長(cháng)態(tài)勢，專(zhuān)業(yè)級市場(chǎng)將成為服務(wù)機器人市場(chǎng)規模增長(cháng)的主力。自主定位導航作為服務(wù)機器人最為核心的技術(shù)，其研究成果也獲得了顯著(zhù)成效，但仍有一些關(guān)鍵理論及技術(shù)問(wèn)題有待解決和完善，本文將就服務(wù)機器人定位導航技術(shù)現狀及國內機器人定位導航領(lǐng)先品牌展開(kāi)討論。 服務(wù)機器人定位導航方式及相關(guān)技術(shù) 服務(wù)機器人定位導航方式 據羿戓設計所了解，目前機器人常用的定位導航方式有激光定位導航、視覺(jué)定位導航、紅外線(xiàn)定位導航、超聲波定位導航、GPS全球定位導航等。 1.激光定位導航 激光雷達+SLAM技術(shù)相結合的激光定位導航主要是通過(guò)對目標物發(fā)射激光信號，再根據從物體反射回來(lái)的信號時(shí)間差來(lái)計算這段距離，然后再發(fā)射激光的角度來(lái)確定物體和發(fā)射器的角度，從而得出物體與發(fā)射器的相對位置。目前激光定位導航技術(shù)已成為機器人主流的定位導航方案。激光雷達具有指向性強的特點(diǎn)，使得導航的精度得到有效保障，能很好地適應室內環(huán)境。 2.視覺(jué)定位導航 視覺(jué)定位導航技術(shù)包含了攝像機（CCD圖像傳感器）、視頻信號數字化設備、基于DSP的快速信號處理器、計算機及其外設等。而它的的工作原理簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是對機器人周邊的環(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 )和統計學(xué)方法構成的學(xué)習子系統，再由學(xué)習子系統將采集到的圖像信息和機器人的實(shí)際位置聯(lián)系起來(lái)，完成機器人的自主導航定位功能。但該技術(shù)圖像處理量巨大，一般計算機無(wú)法完成運算，實(shí)時(shí)性比較差，且容易受光線(xiàn)條件限制，無(wú)法在黑暗環(huán)境中進(jìn)行工作。 3.紅外線(xiàn)定位導航 紅外線(xiàn)定位導航技術(shù)是紅外線(xiàn)IR標識發(fā)射調制的紅外射線(xiàn)，通過(guò)安裝在室內的光學(xué)傳感器接收進(jìn)行定位。使用紅外線(xiàn)導航定位技術(shù)的機器人需要在特定位置安裝一個(gè)光學(xué)傳感器，這個(gè)傳感器能夠接受服務(wù)機器人發(fā)射出的紅外射線(xiàn)，采用這種定位技術(shù)的機器人能夠測量的距離比較遠而且在發(fā)射率比較低的情況下也能進(jìn)行距離測量，且響應時(shí)間短行動(dòng)速度較快。但受環(huán)境的干擾較大，對于近似黑體、透明的物體無(wú)法檢測距離，且有其他遮擋物的時(shí)無(wú)法正常工作，需要每個(gè)房間、走廊安裝接收天線(xiàn)，鋪設導軌，造價(jià)比較高。 4.超聲波定位導航 超聲波定位導航技術(shù)是由超聲波傳感器發(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接收裝置。通過(guò)接收自身發(fā)射的超聲波反射信號，根據超聲波發(fā)出及回波接收時(shí)間差及傳播速度，計算出傳播距離S，就能得到障礙物到機器人的距離，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。超聲波定位導航技術(shù)成本低廉并可以識別紅外傳感器識別不了的物體，比如玻璃、鏡子、黑體等障礙物。但是這種定位導航技術(shù)容易受天氣、周?chē)h(huán)境等以及障礙物陰影，表面粗糙等外界環(huán)境的影響，適用范圍較小導航精度差。 5.GPS全球定位導航 GPS全球定位導航技術(shù)一般采用偽距差分動(dòng)態(tài)定位法，用基準接收機和動(dòng)態(tài)接收機共同觀(guān)測4顆GPS衛星，按照一定的算法即可求出某時(shí)某刻機器人的三維位置坐標。差分動(dòng)態(tài)定位消除了星鐘誤差，對于在距離基準站1000km的用戶(hù)，可以消除星鐘誤差和對流層引起的誤差，因而可以顯著(zhù)提高動(dòng)態(tài)定位精度。但在移動(dòng)導航中，移動(dòng)GPS接收機定位精度受到衛星信號狀況和道路環(huán)境的影響，同時(shí)還受到時(shí)鐘誤差、傳播誤差、接收機噪聲等諸多因素的影響，因此，單純利用GPS導航存在定位精度比較低、可靠性不高的問(wèn)題，所以在機器人的導航應用中通常還輔以磁羅盤(pán)、光碼盤(pán)和GPS的數據進(jìn)行導航。另外，GPS導航系統也不適應用在室內或者水下機器人的導航中以及對于位置精度要求較高的機器人系統。 機器人除以上定位導航技術(shù)外，紅外線(xiàn)定位導航、iBeacon定位導航和燈塔定位導航等也是其比較常用的自主定位導航技術(shù)，這里就不一一介紹了。 服務(wù)機器人導航相關(guān)技術(shù)介紹 1.定位 定位和路徑規劃是機器人實(shí)現自主定位導航最基本的環(huán)節，定位是機器人在二維工作環(huán)境中相對于全局坐標的位置及其本身的姿態(tài)。定位技術(shù)有絕對定位和相對定位之分。 相對定位技術(shù)以測距法和慣性導航法為主，測距法常采用的傳感器有光電編碼器、里程計和航向陀螺儀，其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的短期精度、低廉的價(jià)格以及較高的采樣速率。而慣性導航法采用陀螺儀和加速計實(shí)現定位，陀螺儀測量回轉速度，加速度計測量加速度。相對定位技術(shù)的基本思路都是基于測量值的累積，因而無(wú)法避免時(shí)間漂移問(wèn)題，隨著(zhù)路徑的增長(cháng)，任何小的誤差經(jīng)過(guò)累積都會(huì )無(wú)限增加。因此，相對定位不適于長(cháng)距離和長(cháng)時(shí)間的準確定位，通常將它們與絕對位置測量技術(shù)相結合，以獲得更可靠的位置估計。 在絕對定位中，全球定位系統、路標定位和地圖匹配定位是目前比較成熟的技術(shù)，全球定位系統就是大家所熟知的GPS，主要用于解決機器人定位時(shí)存在近距離定位精度低等問(wèn)題，它主要是以空間衛星為基礎的高精度導航與定位系統。路標定位分為人工路標定位和自然路標定位，其中人工路標定位最為成熟，人工路標定位是在機器人的工作環(huán)境里，人為的設置一些坐標已知的路標，如超聲波發(fā)射器、激光發(fā)射板等，機器人通過(guò)對路標的探測來(lái)確定自身的位置。而地圖匹配定位技術(shù)是基于已知地圖的定位系統進(jìn)行的，機器人通過(guò)自身的傳感器探測周?chē)h(huán)境，并利用感知到的局部信息進(jìn)行局部地圖構造，然后將這個(gè)局部地圖與預先存儲的完整地圖進(jìn)行比較，如兩地圖相互匹配，就能計算出機器人在工作環(huán)境中的位置與方向。地圖匹配定位的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是地圖模型的建立和匹配算法。 2.路徑規劃 路徑規劃是指機器人按照某一性能指標搜索一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)的最優(yōu)或次最優(yōu)的無(wú)碰路徑。根據掌握環(huán)境信息的完整程度可分為環(huán)境信息完全已知的離線(xiàn)全局路徑規劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的在線(xiàn)局部規劃，環(huán)境部分已知和完全未知的局部路徑規劃已成為學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)。 全局路徑規劃的主要方法有：可視圖法(V2Graph)、柵格法(Grids)等。 可視圖法將機器人、目標點(diǎn)和多邊形障礙物的各頂點(diǎn)視為節點(diǎn)，把機器人、目標點(diǎn)和多邊形障礙物的各頂點(diǎn)進(jìn)行組合連接，連接的直線(xiàn)視為弧，要求機器人和障礙物各頂點(diǎn)之間、目標點(diǎn)和障礙物各頂點(diǎn)之間以及各障礙物頂點(diǎn)與頂點(diǎn)之間的連線(xiàn)均不能穿越障礙物，即直線(xiàn)是可視的。從而最優(yōu)路徑搜索問(wèn)題就轉化為在這些直線(xiàn)中搜索從起始點(diǎn)到目標點(diǎn)的最短距離問(wèn)題�？梢晥D法能求得最短路徑，但缺乏靈活性，若障礙物過(guò)多，搜索時(shí)間會(huì )很長(cháng)。 柵格法將機器人的工作環(huán)境分解成一系列具有二值信息的網(wǎng)格單元，每個(gè)矩形柵格有一個(gè)累積值，表示在此方位中存在障礙物的可信度，高的累積值表示存在障礙物的可能性高。傳感器不斷快速采樣環(huán)境，存在障礙物的柵格將會(huì )不斷被檢測到，從而導致高的累積值。柵格大小的選擇直接影響著(zhù)控制算法的性能，柵格選得小，環(huán)境分辨率小，但抗干擾能力弱，環(huán)境信息存儲量大，決策速度慢；柵格選得大，抗干擾能力強，環(huán)境信息存儲量小，決策速度快，但分辨率下降，在密集障礙物環(huán)境中發(fā)現路徑的能力減弱 局部路徑規劃的主要方法有：人工勢場(chǎng)法、模糊邏輯算法、遺傳算法等。 人工勢場(chǎng)法是將機器人在未知環(huán)境中的運動(dòng)視為在人工虛擬力場(chǎng)中的運動(dòng)，即目標對被規劃對象存在吸引力，而障礙物對其有排斥力，引力與斥力的合力作為機器人運動(dòng)的加速力，從而計算機器人的位置和控制機器人的運動(dòng)方向。勢場(chǎng)法結構簡(jiǎn)單，便于低層的實(shí)時(shí)控制。 模糊邏輯算法是根據比較模糊的環(huán)境信息，靠經(jīng)驗來(lái)決策采取什么樣的操作，該法克服了勢場(chǎng)法易產(chǎn)生局部極小的問(wèn)題，計算量不大，易做到邊規劃邊跟蹤，適用于時(shí)變未知環(huán)境下的路徑規劃，實(shí)時(shí)性較好。 遺傳算法是一種基于自然選擇和基因遺傳學(xué)原理的搜索算法。遺傳算法借鑒物種進(jìn)化的思想，將欲求解的問(wèn)題進(jìn)行編碼，每一個(gè)可能解均被表示成字符串的形式，初始化隨機產(chǎn)生一個(gè)種群的侯選群，種群規模固定為N，用合理的適應度函數對種群進(jìn)行性能評估， 并在此基礎上進(jìn)行繁殖、交叉和變異遺傳操作。適應度函數類(lèi)似于自然選擇的某種力量，繁殖、交叉和變異這三個(gè)遺傳算子則分別模擬了然界生物的繁衍、交配和基因突變。多數優(yōu)化算法都是單點(diǎn)搜索算法，很容易陷入局部最優(yōu)，而遺傳算法卻是一種多點(diǎn)搜索算法，因而更有可能搜索到全局最優(yōu)解。 服務(wù)機器人定位導航技術(shù)現狀分析 如今，服務(wù)機器人定位導航技術(shù)已取得了豐碩的研究成果，激光雷達+SLAM導航定位系統被譽(yù)為目前最為成熟的方案。隨著(zhù)傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、機械加工技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)等多門(mén)技術(shù)的發(fā)展，機器人自主定位導航技術(shù)也更加精進(jìn)，其應用領(lǐng)域也不斷擴大，應用的復雜程度也越來(lái)越高，在享受機器人定位導航技術(shù)成果的同時(shí)，也必須接受行業(yè)所帶來(lái)新挑戰，經(jīng)總結主要如下： 1.視覺(jué)定位導航技術(shù)雖然已取得了很多研究成果，但由于現有計算設備的運算速度和存儲容量的限制，其中的圖像處理速度慢始終沒(méi)有得到很好的解決，相信隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展以及對靜態(tài)和動(dòng)態(tài)圖像信息處理方法研究的深入，這一問(wèn)題最終將得到解決。 2.導航系統的模塊化問(wèn)題。由于機器人的導航工作可以分解成諾干低層工作，因此機器人導航的通用接口模塊是今后研究的一個(gè)重要課題。 3.網(wǎng)絡(luò )技術(shù)現在已參透到人類(lèi)社會(huì )的各個(gè)領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò )機器人也就隨之產(chǎn)生，基于網(wǎng)絡(luò )的機器人控制就是利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現遠程的機器人控制，其導航問(wèn)題也是智能機器人導航技術(shù)的一個(gè)研究方向。 4.在機器人的很多應用場(chǎng)合，要求機器人具有體積小、自重輕、負載能力強等特點(diǎn)，因而需要開(kāi)展導航系統的分布式結構研究。所謂分布式結構是指通過(guò)網(wǎng)絡(luò )把機器人的決策級操作分解到機器人自身的計算機和遠端的主計算機。機器人把采集到的視覺(jué)信號和傳感信號按照一定的標準合成，再傳送到遠端的計算機上進(jìn)行分析處理 ，然后發(fā)出控制信號以控制機器人執行相應操作。這樣既可以提高系統的魯棒性,也減小了機器人的體積和自重。 目前，我國已在機器人定位導航技術(shù)上積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗和堅實(shí)的理論基礎，將來(lái)更需提高機器人定位導航技術(shù)的定位精確性及信息融合等方面，進(jìn)一步研發(fā)出更優(yōu)質(zhì)的定位導航技術(shù)，提高機器人定位導航的智能性，使機器人更好的造福于人類(lèi)。 
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