李成進(jìn)，王 芳

(1.海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處，昆明 650000；2.航天科工智能機(jī)器人有限責(zé)任公司，北京 100074)

智能移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制技術(shù)綜述

李成進(jìn)1，王 芳2

(1.海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處，昆明 650000；2.航天科工智能機(jī)器人有限責(zé)任公司，北京 100074)

智能移動(dòng)機(jī)器人在制造業(yè)、服務(wù)業(yè)、軍事、星際探測(cè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，導(dǎo)航是智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主控制需要解決的重要問(wèn)題。對(duì)不同領(lǐng)域智能移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研。針對(duì)環(huán)境感知與建模、定位和路徑規(guī)劃等機(jī)器人導(dǎo)航控制關(guān)鍵技術(shù)，深入分析了其實(shí)現(xiàn)方法。在此基礎(chǔ)上歸納出智能移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

智能移動(dòng)機(jī)器人；導(dǎo)航；環(huán)境感知；定位；路徑規(guī)劃

0 引言

20世紀(jì)90年代，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等為標(biāo)志的現(xiàn)代科技革命進(jìn)入快速發(fā)展階段，成為促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在推動(dòng)力，機(jī)器人技術(shù)得到了飛速發(fā)展。智能移動(dòng)機(jī)器人是能夠依靠自身攜帶的傳感器感知理解外界環(huán)境，根據(jù)任務(wù)需要實(shí)時(shí)決策，進(jìn)行閉環(huán)控制，以自主或半自主方式進(jìn)行作業(yè)，在已知或未知環(huán)境中具有一定自我學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力的新型機(jī)器人。目前，智能移動(dòng)機(jī)器人在制造業(yè)、服務(wù)業(yè)、軍事、星際探測(cè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，并將對(duì)未來(lái)科技的發(fā)展以及人類(lèi)生活方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。導(dǎo)航是智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主控制需要解決的重要問(wèn)題，是指移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)傳感器和學(xué)習(xí)，感知環(huán)境和本身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)有障礙環(huán)境中指向目標(biāo)自主運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。

1 智能移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

以美國(guó)、德國(guó)、日本等為代表的機(jī)器人技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)開(kāi)展了較為深入的研究，目前已取得了一些成果，具有自主導(dǎo)航功能的機(jī)器人在工業(yè)、服務(wù)、外星探測(cè)、軍事等領(lǐng)域獲得了不同程度的應(yīng)用。

移動(dòng)機(jī)器人最成功的應(yīng)用是在機(jī)場(chǎng)、碼頭、工廠中實(shí)現(xiàn)物流自動(dòng)化的自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)(Automated Guided Vehicle,AGV)，如圖1(a)所示。AGV一般配備車(chē)載計(jì)算機(jī)、通信裝置和物料裝卸裝置，隨著科技的發(fā)展，整機(jī)復(fù)雜性和自動(dòng)化程度都大大提高。常用的導(dǎo)航方式有視覺(jué)導(dǎo)引、磁導(dǎo)引、電磁導(dǎo)引和慣性導(dǎo)引等[1-2]。

在電力、煤礦等領(lǐng)域可采用智能移動(dòng)機(jī)器人代替人工完成危險(xiǎn)作業(yè)或枯燥的重復(fù)作業(yè)。例如，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究中心所開(kāi)發(fā)的Groundhog全自主礦井探測(cè)機(jī)器人可用于探測(cè)井下環(huán)境，精確繪制井下立體地圖[3]，如圖1(b)所示。在我國(guó)變電站自動(dòng)巡檢機(jī)器人已獲得了初步應(yīng)用。目前變電站巡檢機(jī)器人以磁道導(dǎo)航為主，典型產(chǎn)品如1(c)所示山東電科院研制的巡檢機(jī)器人。

外星探索是自主移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要應(yīng)用方向。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始， NASA就開(kāi)始著手研制火星探索用的機(jī)器人，以便在火星上軟著陸后進(jìn)行移動(dòng)并收集火星表面生態(tài)數(shù)據(jù)。自1997年機(jī)器人索杰納的火星之旅取得成功后， “勇氣”號(hào)、“機(jī)遇”號(hào)、 “好奇”號(hào)等機(jī)器人(如圖1(d)所示)相繼開(kāi)始了火星探測(cè)工作，具備了一定的自主導(dǎo)航功能，并發(fā)回大量有價(jià)值的信息。

近10年以來(lái)，在美國(guó)陸軍、DARPA的一系列無(wú)人作戰(zhàn)裝備項(xiàng)目(如FCS、UPI等)的資助下，一些先進(jìn)無(wú)人作戰(zhàn)裝備目前已試驗(yàn)性地應(yīng)用于美軍的反恐戰(zhàn)爭(zhēng)中。MULE(騾馬)是由洛克希德·馬丁公司研制的多功能通用/后勤無(wú)人車(chē)，如圖1(e)所示。MULE系列多用途機(jī)器人戰(zhàn)車(chē)安裝了自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)(Autonomous Navigation System，ANS)等先進(jìn)的車(chē)載電子設(shè)備。MULE具備自主導(dǎo)航能力，但在穿越嚴(yán)酷地形，或當(dāng)?shù)匦巫兓绊懥艘?guī)劃路點(diǎn)時(shí)，仍由人來(lái)控制[4]。

無(wú)人駕駛汽車(chē)作為一種特殊的輪式機(jī)器人，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、模式識(shí)別和智能控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物[5]。無(wú)人車(chē)技術(shù)吸引了全球各大汽車(chē)廠商、互聯(lián)網(wǎng)公司的關(guān)注。2005年，基于斯坦福大學(xué)無(wú)人駕駛技術(shù)，Google公司開(kāi)始涉足無(wú)人車(chē)研發(fā)并不斷完善，已在美國(guó)加州、內(nèi)華達(dá)州等多州獲得上路許可。目前Google無(wú)人車(chē)(如圖1(f)所示)成功行駛70萬(wàn)英里，在此期間由電腦控制的汽車(chē)行駛平穩(wěn)，無(wú)意外事故發(fā)生，基本具備商用推廣條件。

(a)AGV

(b)Groundhog

(c)變電站巡檢機(jī)器人

(d)“好奇”號(hào)火星車(chē)

(e)MULE

(f)Google無(wú)人車(chē)

2 智能移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)分析

導(dǎo)航是智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主控制需要解決的重要問(wèn)題。智能移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航可分解為“我在哪里？” “目標(biāo)在哪里？”和“怎樣到達(dá)那里?”三個(gè)問(wèn)題。前兩個(gè)問(wèn)題通過(guò)確定機(jī)器人在工作環(huán)境中的位置及相對(duì)目標(biāo)的位置偏差來(lái)解決。該工作環(huán)境在機(jī)器人內(nèi)部的表示稱為環(huán)境模型或地圖。機(jī)器人確定環(huán)境模型的過(guò)程稱為環(huán)境建模?；诃h(huán)境模型以及機(jī)器人的位置，第三個(gè)問(wèn)題路徑規(guī)劃才能夠解決。環(huán)境建模、定位和路徑規(guī)劃被稱為機(jī)器人導(dǎo)航的三要素[5]。

2.1 環(huán)境感知與建模

為了實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航，需要根據(jù)多種傳感器信息識(shí)別多種環(huán)境信息：如道路邊界、地形特征、障礙、引導(dǎo)者等，在無(wú)人駕駛汽車(chē)導(dǎo)航中還需要識(shí)別交通標(biāo)志、典型路口等信息。機(jī)器人通過(guò)環(huán)境感知確定前進(jìn)方向中的可達(dá)區(qū)域和不可達(dá)區(qū)域，確定在環(huán)境中的相對(duì)位置，以及對(duì)動(dòng)態(tài)障礙物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)判，從而為局部路徑規(guī)劃提供依據(jù)[6]。

可用于機(jī)器人環(huán)境感知的傳感器包括以下幾類(lèi)。

1)視覺(jué)傳感器：具有信號(hào)探測(cè)范圍寬、目標(biāo)信息完整、獲得環(huán)境信息的速度快等優(yōu)勢(shì)，在機(jī)器人導(dǎo)航中獲得了廣泛應(yīng)用?？梢?jiàn)光成像方式可用于白天氣象條件良好情況下，識(shí)別環(huán)境中的道路分界、地形特征、障礙物等；紅外成像方式可用于惡劣氣象條件、夜間光照較差等環(huán)境，以及預(yù)警環(huán)境中的行人、車(chē)輛、動(dòng)物等熱目標(biāo)。由于視覺(jué)信息本身不攜帶距離信息，為了從圖像中獲得距離等度量信息，立體視覺(jué)是通常采用的方案。

2)激光雷達(dá)：具有探測(cè)距離遠(yuǎn)(幾十米，甚至上百米)、測(cè)量精度高，可進(jìn)行線掃描和面掃描等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人防撞和環(huán)境建模。線掃描激光雷達(dá)只能得到環(huán)境的二維模型，面掃描激光雷達(dá)可以得到環(huán)境的三維模型。

3)毫米波雷達(dá)：工作在毫米波段，工作頻率通常在30～300GHz。毫米波雷達(dá)掃描可用于防撞。相比于視覺(jué)傳感器、激光雷達(dá)，毫米波穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，具有全天候、全天時(shí)的特點(diǎn)。

4)紅外測(cè)距傳感器：波長(zhǎng)大約在幾百nm范圍內(nèi)。不受電磁波的干擾，非噪聲源，可實(shí)現(xiàn)非接觸性快速測(cè)量，價(jià)格低廉。物體顏色、方向、周?chē)饩€會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差，測(cè)距范圍較近，一般在3m左右。

5)超聲波測(cè)距傳感器：頻率在2000Hz以上的機(jī)械振動(dòng)波，傳播具有一定的方向性，價(jià)格較低。比紅外傳感器精確，但易發(fā)生鏡面反射導(dǎo)致測(cè)距出錯(cuò)，波束角較大，反射目標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確方位難以確定。

上述各類(lèi)傳感器在移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境感知和建模中發(fā)揮著不同的作用。其中超聲波、紅外測(cè)距傳感器由于測(cè)量精度有限，一般只用于障礙物檢測(cè)，而不用于環(huán)境特征識(shí)別與建模。毫米波雷達(dá)主要用于無(wú)人駕駛或輔助駕駛的防撞報(bào)警。視覺(jué)傳感器和激光雷達(dá)是移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境感知和建模的最常用傳感器，表1對(duì)兩類(lèi)傳感器感知信息內(nèi)容和常用感知算法進(jìn)行了歸納總結(jié)[7-13]。

表1 各傳感器感知信息及方法

由于各類(lèi)傳感器工作機(jī)理、作用范圍、適用環(huán)境不同，感知信息的種類(lèi)和能力也不盡相同。通常一個(gè)機(jī)器人需配備多種傳感器，采用多信息融合技術(shù)綜合利用多傳感器信息，消除冗余，并加以互補(bǔ)，從而提高對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性，使機(jī)器人能夠獲取更完備的環(huán)境信息。

根據(jù)環(huán)境模型的形式可以將環(huán)境建模分為基于概率格、幾何信息、拓?fù)湫畔?、三維環(huán)境信息的環(huán)境建模。根據(jù)環(huán)境模型的坐標(biāo)系，可以將其分為局部建模和全局環(huán)境建模。在環(huán)境建模技術(shù)方面，依次出現(xiàn)了基于傳感器的單元分解建模技術(shù)、幾何建模技術(shù)、拓?fù)浣＜夹g(shù)，自1990年以來(lái)，概率技術(shù)在環(huán)境建模領(lǐng)域逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，包括擴(kuò)展Kalman濾波(EKF)、極大似然估計(jì)法(MLE)。在復(fù)雜未知環(huán)境中，由于先驗(yàn)知識(shí)的匱乏和環(huán)境的不確定性，使得并發(fā)環(huán)境建模與定位方法(SLAM)成為研究熱點(diǎn)，但推廣到工程應(yīng)用，還需要在實(shí)時(shí)性、魯棒性和準(zhǔn)確性三個(gè)方面取得突破[14]。

2.2 定位

移動(dòng)機(jī)器人必須具有定位的能力，其目的就是確定機(jī)器人在運(yùn)行環(huán)境中相對(duì)于世界坐標(biāo)系的位置及航向。目前機(jī)器人定位方法分為以下幾類(lèi)[15-16]。

1)衛(wèi)星定位：在室外無(wú)遮時(shí)，可以利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人定位。但是在城市、隧道、室內(nèi)等環(huán)境下，因衛(wèi)星信號(hào)遮擋無(wú)法應(yīng)用。可采用雙天線衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲得航向，航向精度與基線長(zhǎng)度有關(guān)。

2)慣性定位：通過(guò)對(duì)固聯(lián)在載體上的三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀進(jìn)行積分，獲得載體實(shí)時(shí)、連續(xù)的位置、速度、姿態(tài)等信息，但慣性誤差經(jīng)過(guò)積分之后都會(huì)產(chǎn)生無(wú)限的累積，因此純慣性導(dǎo)航不適合長(zhǎng)時(shí)間的精確定位。

3)航位推算：通過(guò)車(chē)輪上安裝的光電編碼器對(duì)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)進(jìn)行記錄，來(lái)計(jì)算載體的位置和姿態(tài)。由于是一種增量式定位方法，定位誤差會(huì)隨時(shí)間累計(jì)。對(duì)于非輪式機(jī)器人或是機(jī)器人行駛在崎嶇路面輪子存在打滑的情況，可采用視覺(jué)方法獲得里程信息。

4)電子地圖匹配：利用圖像處理技術(shù)，將實(shí)時(shí)獲取的環(huán)境圖像與基準(zhǔn)圖進(jìn)行匹配，從而確定載體當(dāng)前的位置，匹配的特征可以為設(shè)定的路標(biāo)、特定的景象或是道路曲率。電子地圖匹配特別適用于對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的定位誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。

以上定位方式中，慣性導(dǎo)航以及基于里程計(jì)的航位推算為相對(duì)定位方式，可以獲得連續(xù)的位置、姿態(tài)信息，但存在累積誤差；衛(wèi)星定位、電子地圖匹配等定位方式為絕對(duì)定位，可以獲得精確的位置信息，但難以獲得連續(xù)姿態(tài)信息。相對(duì)定位與絕對(duì)定位方式存在較強(qiáng)的互補(bǔ)性，通常采用將兩者結(jié)合的組合定位方法。通常以相對(duì)定位為主導(dǎo)航方式，以衛(wèi)星、里程、地圖信息等為輔助手段，利用Kalman濾波等算法對(duì)各導(dǎo)航設(shè)備誤差進(jìn)行估計(jì)，以減少組合后系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差。

2.3 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃則是導(dǎo)航研究的一個(gè)重要環(huán)節(jié)和課題。路徑規(guī)劃主要涉及的問(wèn)題包括[17-18]：1)利用獲得的移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境信息建立較為合理的模型，再利用某種算法尋找一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或次優(yōu)的無(wú)碰撞路徑；2)能夠處理環(huán)境模型中的不確定因素和路徑跟蹤中出現(xiàn)的誤差，使外界對(duì)機(jī)器人的影響降到最??；3)利用已知信息來(lái)引導(dǎo)機(jī)器人動(dòng)作，從而得到相對(duì)更優(yōu)的行為策略。

根據(jù)機(jī)器人掌握環(huán)境信息的程度不同，可分為兩種類(lèi)型：一個(gè)是基于環(huán)境先驗(yàn)信息已知的全局路徑規(guī)劃；另一個(gè)是基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃，后者環(huán)境是未知或部分未知的，即障礙物的尺寸、形狀和位置等信息必須通過(guò)傳感器獲取。全局路徑規(guī)劃方法通常包括：自由空間法、可視圖法、柵格法、拓?fù)浞ǖ?，各算法的原理及特點(diǎn)如表2所示。局部路徑規(guī)劃方法通常包括：人工勢(shì)能法、遺傳算法、模糊邏輯法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，各算法的原理及特點(diǎn)如表3所示。

表2 全局路徑規(guī)劃方法分析

表3 局部路徑規(guī)劃方法分析

3 智能移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1)從已知環(huán)境、結(jié)構(gòu)化環(huán)境導(dǎo)航向未知環(huán)境、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境導(dǎo)航發(fā)展

已知環(huán)境導(dǎo)航技術(shù)相對(duì)成熟，如工廠、碼頭AGV，變電站巡檢機(jī)器人等，已有成熟產(chǎn)品投入使用。結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，由于環(huán)境要素已知且規(guī)則，其環(huán)境建模、定位較為簡(jiǎn)單，自主導(dǎo)航易于實(shí)現(xiàn)。在未知環(huán)境中或非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，由于先驗(yàn)知識(shí)缺乏或是環(huán)境要素難以辨識(shí)，而感知信息不完備或環(huán)境存在干擾，機(jī)器人環(huán)境建模和定位存在困難，自主導(dǎo)航難度較大。外星探測(cè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人均涉及未知、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境導(dǎo)航，相關(guān)研究成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。SLAM被認(rèn)為是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的有效途徑。

2)新技術(shù)、新產(chǎn)品的出現(xiàn)為機(jī)器人導(dǎo)航提供了新的解決途徑

一些新技術(shù)、新產(chǎn)品可能源于其他領(lǐng)域，但為機(jī)器人導(dǎo)航控制提供了新的解決方法，值得關(guān)注。例如圍繞個(gè)人移動(dòng)終端的室內(nèi)定位技術(shù)方興未艾，基于Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee、超寬帶的多種方案趨于成熟，并投入市場(chǎng)應(yīng)用。將這些技術(shù)與機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，為機(jī)器人室內(nèi)導(dǎo)航開(kāi)辟了新思路。微軟的Kinect體感游戲機(jī)可進(jìn)行圖像編碼并主動(dòng)投射近紅外光譜，已成為機(jī)器人室內(nèi)導(dǎo)航的新裝備，用以替代昂貴的激光雷達(dá)進(jìn)行環(huán)境建模和定位。

4 結(jié)論

當(dāng)機(jī)器人走出限定的范圍，走向更廣闊的空間時(shí)，導(dǎo)航成為制約機(jī)器人在更大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用的瓶頸技術(shù)，也是智能移動(dòng)機(jī)器人真正實(shí)現(xiàn)自主控制的關(guān)鍵技術(shù)。環(huán)境建模、定位與路徑規(guī)劃是智能移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的基本問(wèn)題，相關(guān)的理論研究自20世紀(jì)70～80年代以來(lái)已較為完備。隨著科技的進(jìn)步，新技術(shù)、新產(chǎn)品的出現(xiàn)為機(jī)器人導(dǎo)航提供了更多解決方案，為自主移動(dòng)機(jī)器人走向工程應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

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Review of Navigation Control Technology of Intelligent Mobile Robot

LI Cheng-jin1, WANG Fang2

(1.Navy Military Representative Office in Kunming Area, Kunming 650000, China；2.Aerospace Science & Industry Intelligent Robot Company Limited，Beijing 100074，China)

Intelligent mobile robot is widely used in the areas of manufacturing, service industry, military and interplanetary exploration. Navigation is one of the primary problems of autonomous control of intelligent mobile robot. The current status of the navigation technology of intelligent mobile robots in various areas was investigated. The approaches of crucial points of navigation control, which include environmental perception and mapping, localization and path planning, were deeply analyzed. Based on above all, the trends of navigation control of intelligent mobile robot is summarized.

Intelligent mobile robot; Navigation; Environmental perception; Localization; Path planning

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.05.005

2015-12-11；

2016-01-29。

李成進(jìn)(1970-)，男，高級(jí)工程師，主要從事慣性導(dǎo)航定位方面的研究。E-mail:hbhcmthjz@sina.com

TP242

A

2095-8110(2016)05-0022-05