中國(guó)服務(wù)機(jī)器人定位導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀分析 思嵐科技遙遙領(lǐng)先

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根據(jù)易觀發(fā)布的《中國(guó)服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)2017-2019》顯示，2018年中國(guó)服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到122.9億元人民幣，同比增長(zhǎng)27.2%。人工智能熱度持續(xù)升溫，各方面技術(shù)持續(xù)進(jìn)化。作為人工智能技術(shù)的最佳載體，服務(wù)機(jī)器人也繼續(xù)向醫(yī)療、物流、餐飲、客服等多個(gè)行業(yè)持續(xù)滲透。預(yù)計(jì)服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)在未來(lái)三年內(nèi)仍將維持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，專業(yè)級(jí)市場(chǎng)將成為服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)的主力。自主定位導(dǎo)航作為服務(wù)機(jī)器人最為核心的技術(shù)，其研究成果也獲得了顯著成效，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(jī)器人定位導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)機(jī)器人定位導(dǎo)航領(lǐng)先品牌展開(kāi)討論。

服務(wù)機(jī)器人定位導(dǎo)航方式及相關(guān)技術(shù)

服務(wù)機(jī)器人定位導(dǎo)航方式

目前機(jī)器人常用的定位導(dǎo)航方式有激光定位導(dǎo)航、視覺(jué)定位導(dǎo)航、紅外線定位導(dǎo)航、超聲波定位導(dǎo)航、GPS全球定位導(dǎo)航等。

1.激光定位導(dǎo)航

激光雷達(dá)+SLAM技術(shù)相結(jié)合的激光定位導(dǎo)航主要是通過(guò)對(duì)目標(biāo)物發(fā)射激光信號(hào)，再根據(jù)從物體反射回來(lái)的信號(hào)時(shí)間差來(lái)計(jì)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(duì)位置。目前激光定位導(dǎo)航技術(shù)已成為機(jī)器人主流的定位導(dǎo)航方案。激光雷達(dá)具有指向性強(qiáng)的特點(diǎn)，使得導(dǎo)航的精度得到有效保障，能很好地適應(yīng)室內(nèi)環(huán)境。

2.視覺(jué)定位導(dǎo)航

視覺(jué)定位導(dǎo)航技術(shù)包含了攝像機(jī)(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。而它的的工作原理簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)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(lái)，完成機(jī)器人的自主導(dǎo)航定位功能。但該技術(shù)圖像處理量巨大，一般計(jì)算機(jī)無(wú)法完成運(yùn)算，實(shí)時(shí)性比較差，且容易受光線條件限制，無(wú)法在黑暗環(huán)境中進(jìn)行工作。

3.紅外線定位導(dǎo)航

紅外線定位導(dǎo)航技術(shù)是紅外線IR標(biāo)識(shí)發(fā)射調(diào)制的紅外射線，通過(guò)安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器接收進(jìn)行定位。使用紅外線導(dǎo)航定位技術(shù)的機(jī)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(jī)器人發(fā)射出的紅外射線，采用這種定位技術(shù)的機(jī)器人能夠測(cè)量的距離比較遠(yuǎn)而且在發(fā)射率比較低的情況下也能進(jìn)行距離測(cè)量，且響應(yīng)時(shí)間短行動(dòng)速度較快。但受環(huán)境的干擾較大，對(duì)于近似黑體、透明的物體無(wú)法檢測(cè)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，鋪設(shè)導(dǎo)軌，造價(jià)比較高。

4.超聲波定位導(dǎo)航

超聲波定位導(dǎo)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(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。超聲波定位導(dǎo)航技術(shù)成本低廉并可以識(shí)別紅外傳感器識(shí)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(dǎo)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(dǎo)航精度差。

5.GPS全球定位導(dǎo)航

GPS全球定位導(dǎo)航技術(shù)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(cè)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。但在移動(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(wèn)題，所以在機(jī)器人的導(dǎo)航應(yīng)用中通常還輔以磁羅盤(pán)、光碼盤(pán)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)。

機(jī)器人除以上定位導(dǎo)航技術(shù)外，紅外線定位導(dǎo)航、iBeacon定位導(dǎo)航和燈塔定位導(dǎo)航等也是其比較常用的自主定位導(dǎo)航技術(shù)，這里就不一一介紹了。

服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)介紹

1.定位

定位和路徑規(guī)劃是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主定位導(dǎo)航最基本的環(huán)節(jié)，定位是機(jī)器人在二維工作環(huán)境中相對(duì)于全局坐標(biāo)的位置及其本身的姿態(tài)。定位技術(shù)有絕對(duì)定位和相對(duì)定位之分。

相對(duì)定位技術(shù)以測(cè)距法和慣性導(dǎo)航法為主，測(cè)距法常采用的傳感器有光電編碼器、里程計(jì)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(dǎo)航法采用陀螺儀和加速計(jì)實(shí)現(xiàn)定位，陀螺儀測(cè)量回轉(zhuǎn)速度，加速度計(jì)測(cè)量加速度。相對(duì)定位技術(shù)的基本思路都是基于測(cè)量值的累積，因而無(wú)法避免時(shí)間漂移問(wèn)題，隨著路徑的增長(zhǎng)，任何小的誤差經(jīng)過(guò)累積都會(huì)無(wú)限增加。因此，相對(duì)定位不適于長(zhǎng)距離和長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)確定位，通常將它們與絕對(duì)位置測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，以獲得更可靠的位置估計(jì)。

在絕對(duì)定位中，全球定位系統(tǒng)、路標(biāo)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(tǒng)就是大家所熟知的GPS，主要用于解決機(jī)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(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。路標(biāo)定位分為人工路標(biāo)定位和自然路標(biāo)定位，其中人工路標(biāo)定位最為成熟，人工路標(biāo)定位是在機(jī)器人的工作環(huán)境里，人為的設(shè)置一些坐標(biāo)已知的路標(biāo)，如超聲波發(fā)射器、激光發(fā)射板等，機(jī)器人通過(guò)對(duì)路標(biāo)的探測(cè)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(tǒng)進(jìn)行的，機(jī)器人通過(guò)自身的傳感器探測(cè)周?chē)h(huán)境，并利用感知到的局部信息進(jìn)行局部地圖構(gòu)造，然后將這個(gè)局部地圖與預(yù)先存儲(chǔ)的完整地圖進(jìn)行比較，如兩地圖相互匹配，就能計(jì)算出機(jī)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(guī)劃

路徑規(guī)劃是指機(jī)器人按照某一性能指標(biāo)搜索一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或次最優(yōu)的無(wú)碰路徑。根據(jù)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全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的在線局部規(guī)劃，環(huán)境部分已知和完全未知的局部路徑規(guī)劃已成為學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)。

全局路徑規(guī)劃的主要方法有：可視圖法(V2Graph)、柵格法(Grids)等。

可視圖法將機(jī)器人、目標(biāo)點(diǎn)和多邊形障礙物的各頂點(diǎn)視為節(jié)點(diǎn)，把機(jī)器人、目標(biāo)點(diǎn)和多邊形障礙物的各頂點(diǎn)進(jìn)行組合連接，連接的直線視為弧，要求機(jī)器人和障礙物各頂點(diǎn)之間、目標(biāo)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)之間的連線均不能穿越障礙物，即直線是可視的。從而最優(yōu)路徑搜索問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為在這些直線中搜索從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最短距離問(wèn)題。可視圖法能求得最短路徑，但缺乏靈活性，若障礙物過(guò)多，搜索時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)。

柵格法將機(jī)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(cè)到，從而導(dǎo)致高的累積值。柵格大小的選擇直接影響著控制算法的性能，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(chǔ)量大，決策速度慢;柵格選得大，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境信息存儲(chǔ)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(xiàn)路徑的能力減弱

局部路徑規(guī)劃的主要方法有：人工勢(shì)場(chǎng)法、模糊邏輯算法、遺傳算法等。

人工勢(shì)場(chǎng)法是將機(jī)器人在未知環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)視為在人工虛擬力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，即目標(biāo)對(duì)被規(guī)劃對(duì)象存在吸引力，而障礙物對(duì)其有排斥力，引力與斥力的合力作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的加速力，從而計(jì)算機(jī)器人的位置和控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。勢(shì)場(chǎng)法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于低層的實(shí)時(shí)控制。

模糊邏輯算法是根據(jù)比較模糊的環(huán)境信息，靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)決策采取什么樣的操作，該法克服了勢(shì)場(chǎng)法易產(chǎn)生局部極小的問(wèn)題，計(jì)算量不大，易做到邊規(guī)劃邊跟蹤，適用于時(shí)變未知環(huán)境下的路徑規(guī)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(jī)產(chǎn)生一個(gè)種群的侯選群，種群規(guī)模固定為N，用合理的適應(yīng)度函數(shù)對(duì)種群進(jìn)行性能評(píng)估， 并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行繁殖、交叉和變異遺傳操作。適應(yīng)度函數(shù)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(shù)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(jī)器人定位導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀分析

如今，服務(wù)機(jī)器人定位導(dǎo)航技術(shù)已取得了豐碩的研究成果，激光雷達(dá)+SLAM導(dǎo)航定位系統(tǒng)被譽(yù)為目前最為成熟的方案。隨著傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多門(mén)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人自主定位導(dǎo)航技術(shù)也更加精進(jìn)，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，應(yīng)用的復(fù)雜程度也越來(lái)越高，在享受機(jī)器人定位導(dǎo)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(zhàn)，經(jīng)總結(jié)主要如下：

1.視覺(jué)定位導(dǎo)航技術(shù)雖然已取得了很多研究成果，但由于現(xiàn)有計(jì)算設(shè)備的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)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，相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)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(dǎo)航系統(tǒng)的模塊化問(wèn)題。由于機(jī)器人的導(dǎo)航工作可以分解成諾干低層工作，因此機(jī)器人導(dǎo)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(xiàn)在已參透到人類(lèi)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人也就隨之產(chǎn)生，基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制就是利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的機(jī)器人控制，其導(dǎo)航問(wèn)題也是智能機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的一個(gè)研究方向。

4.在機(jī)器人的很多應(yīng)用場(chǎng)合，要求機(jī)器人具有體積小、自重輕、負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因而需要開(kāi)展導(dǎo)航系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)研究。所謂分布式結(jié)構(gòu)是指通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把機(jī)器人的決策級(jí)操作分解到 機(jī)器人自身的計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)端的主計(jì)算機(jī)。機(jī)器人把采集到的視覺(jué)信號(hào)和傳感信號(hào)按照一定的標(biāo)準(zhǔn)合成，再傳送到遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析處理 ，然后發(fā)出控制信號(hào)以控制機(jī)器人執(zhí) 行相應(yīng)操作。這樣既可以提高系統(tǒng)的魯棒性,也減小了機(jī)器人的體積和自重。

國(guó)內(nèi)服務(wù)機(jī)器人定位導(dǎo)航領(lǐng)先品牌——思嵐科技SLAMTEC

國(guó)內(nèi)研發(fā)機(jī)器人定位導(dǎo)航技術(shù)的企業(yè)不在少數(shù)，從機(jī)器人定位導(dǎo)航技術(shù)在市場(chǎng)上的應(yīng)用情況來(lái)看，目前思嵐科技、云跡科技、速感科技、速騰聚創(chuàng)、愛(ài)啃蘿卜等研發(fā)的定位導(dǎo)航技術(shù)深受機(jī)器人廠商的青睞，其中，思嵐科技的市場(chǎng)占有率遙遙領(lǐng)先，思嵐科技是國(guó)內(nèi)機(jī)器人定位導(dǎo)航領(lǐng)域最早的布局者，自成立起就注重激光定位導(dǎo)航技術(shù)的積累與落地應(yīng)用，時(shí)刻關(guān)注市場(chǎng)變化和需求，注重將技術(shù)與應(yīng)用場(chǎng)景緊密聯(lián)合，賦能機(jī)器人智能硬件及軟件算法。目前，思嵐科技提供的機(jī)器人自主定位導(dǎo)航解決方案已在家用、商用、輕工業(yè)等領(lǐng)域深入落地，業(yè)務(wù)輻射亞洲、歐洲、北美、澳洲等，遍布20多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，服務(wù)超過(guò)2000家行業(yè)用戶。隨著AI落地進(jìn)程的推進(jìn)，思嵐科技將會(huì)在原有的市場(chǎng)及技術(shù)積累優(yōu)勢(shì)上，進(jìn)一步遵循商業(yè)市場(chǎng)的進(jìn)化法則，逐步加入更為成熟的智能技術(shù)，在提升產(chǎn)品價(jià)值前提下，實(shí)現(xiàn)用戶體驗(yàn)和成本控制的雙贏。

目前，我國(guó)已在機(jī)器人定位導(dǎo)航技術(shù)上積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，將來(lái)更需提高機(jī)器人定位導(dǎo)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(dǎo)航技術(shù)，提高機(jī)器人定位導(dǎo)航的智能性，使機(jī)器人更好的造福于人類(lèi)。

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