中國服務(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

根據(jù)易觀發(fā)布的《中國服務(wù)機(jī)器人市場趨勢預(yù)測2017-2019》顯示，2018年中國服務(wù)機(jī)器人市場規(guī)模將達(dá)到122.9億元人民幣，同比增長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、客服等多個行業(yè)持續(xù)滲透。預(yù)計服務(wù)機(jī)器人市場在未來三年內(nèi)仍將維持增長態(tài)勢，專業(yè)級市場將成為服務(wù)機(jī)器人市場規(guī)模增長的主力。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)狀及國內(nèi)機(jī)器人定位導(dǎo)航領(lǐng)先品牌展開討論。

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)航主要是通過對目標(biāo)物發(fā)射激光信號，再根據(jù)從物體反射回來的信號時間差來計算這段距離，然后再發(fā)射激光的角度來確定物體和發(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(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，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.視覺定位導(dǎo)航

視覺定位導(dǎo)航技術(shù)包含了攝像機(jī)(CCD圖像傳感器)、視頻信號數(shù)字化設(shè)備、基于DSP的快速信號處理器、計算機(jī)及其外設(shè)等。而它的的工作原理簡單說來就是對機(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由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計學(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)器人的實際位置聯(lián)系起來，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，一般計算機(jī)無法完成運算，實時性比較差，且容易受光線條件限制，無法在黑暗環(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)識發(fā)射調(diào)制的紅外射線，通過安裝在室內(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光學(xué)傳感器，這個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)行距離測量，且響應(yīng)時間短行動速度較快。但受環(huán)境的干擾較大，對于近似黑體、透明的物體無法檢測距離，且有其他遮擋物的時無法正常工作，需要每個房間、走廊安裝接收天線，鋪設(shè)導(dǎo)軌，造價比較高。

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。通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收時間差及傳播速度，計算出傳播距離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(dǎo)航技術(shù)容易受天氣、周圍環(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態(tài)定位法，用基準(zhǔn)接收機(jī)和動態(tài)接收機(jī)共同觀測4顆GPS衛(wèi)星，按照一定的算法即可求出某時某刻機(jī)器人的三維位置坐標(biāo)。差分動態(tài)定位消除了星鐘誤差，對于在距離基準(zhǔn)站1000km的用戶，可以消除星鐘誤差和對流層引起的誤差，因而可以顯著提高動態(tài)定位精度。但在移動導(dǎo)航中，移動GPS接收機(jī)定位精度受到衛(wèi)星信號狀況和道路環(huán)境的影響，同時還受到時鐘誤差、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、可靠性不高的問題，所以在機(jī)器人的導(dǎo)航應(yīng)用中通常還輔以磁羅盤、光碼盤和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)有絕對定位和相對定位之分。

相對定位技術(shù)以測距法和慣性導(dǎo)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)點是具有良好的短期精度、低廉的價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實現(xiàn)定位，陀螺儀測量回轉(zhuǎn)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，因而無法避免時間漂移問題，隨著路徑的增長，任何小的誤差經(jīng)過累積都會無限增加。因此，相對定位不適于長距離和長時間的準(zhǔn)確定位，通常將它們與絕對位置測量技術(shù)相結(jié)合，以獲得更可靠的位置估計。

在絕對定位中，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)器人定位時存在近距離定位精度低等問題，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)器人通過對路標(biāo)的探測來確定自身的位置。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)器人通過自身的傳感器探測周圍環(huán)境，并利用感知到的局部信息進(jìn)行局部地圖構(gòu)造，然后將這個局部地圖與預(yù)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(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。

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)點和多邊形障礙物的各頂點視為節(jié)點，把機(jī)器人、目標(biāo)點和多邊形障礙物的各頂點進(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之間、目標(biāo)點和障礙物各頂點之間以及各障礙物頂點與頂點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)路徑搜索問題就轉(zhuǎn)化為在這些直線中搜索從起始點到目標(biāo)點的最短距離問題。可視圖法能求得最短路徑，但缺乏靈活性，若障礙物過多，搜索時間會很長。

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，每個矩形柵格有一個累積值，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不斷被檢測到，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：人工勢場法、模糊邏輯算法、遺傳算法等。

人工勢場法是將機(jī)器人在未知環(huán)境中的運動視為在人工虛擬力場中的運動，即目標(biāo)對被規(guī)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(jī)器人運動的加速力，從而計算機(jī)器人的位置和控制機(jī)器人的運動方向。勢場法結(jié)構(gòu)簡單，便于低層的實時控制。

模糊邏輯算法是根據(jù)比較模糊的環(huán)境信息，靠經(jīng)驗來決策采取什么樣的操作，該法克服了勢場法易產(chǎn)生局部極小的問題，計算量不大，易做到邊規(guī)劃邊跟蹤，適用于時變未知環(huán)境下的路徑規(guī)劃，實時性較好。

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，將欲求解的問題進(jìn)行編碼，每一個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)對種群進(jìn)行性能評估， 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)類似于自然選擇的某種力量，繁殖、交叉和變異這三個遺傳算子則分別模 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)、計算機(jī)技術(shù)等多門技術(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)雜程度也越來越高，在享受機(jī)器人定位導(dǎo)航技術(shù)成果的同時，也必須接受行業(yè)所帶來新挑戰(zhàn)，經(jīng)總結(jié)主要如下：

1.視覺定位導(dǎo)航技術(shù)雖然已取得了很多研究成果，但由于現(xiàn)有計算設(shè)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有得到很好的解決，相信隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及對靜態(tài)和動態(tài)圖像信息處理方法研究的深入，這一問題最終將得到解決。

2.導(dǎo)航系統(tǒng)的模塊化問題。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重要課題。

3.網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)在已參透到人類社會的各個領(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)實現(xiàn)遠(yuǎn)程的機(jī)器人控制，其導(dǎo)航問題也是智能機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的一個研究方向。

4.在機(jī)器人的很多應(yīng)用場合，要求機(jī)器人具有體積小、自重輕、負(fù)載能力強(qiáng)等特點，因而需要開展導(dǎo)航系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)研究。所謂分布式結(jié)構(gòu)是指通過網(wǎng)絡(luò)把機(jī)器人的決策級操作分解到 機(jī)器人自身的計算機(jī)和遠(yuǎn)端的主計算機(jī)。機(jī)器人把采集到的視覺信號和傳感信號按照一定的標(biāo)準(zhǔn)合成，再傳送到遠(yuǎn)端的計算機(jī)上進(jìn)行分析處理 ，然后發(fā)出控制信號以控制機(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)在市場上的應(yīng)用情況來看，目前思嵐科技、云跡科技、速感科技、速騰聚創(chuàng)、愛啃蘿卜等研發(fā)的定位導(dǎo)航技術(shù)深受機(jī)器人廠商的青睞，其中，思嵐科技的市場占有率遙遙領(lǐng)先，思嵐科技是國內(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，時刻關(guān)注市場變化和需求，注重將技術(shù)與應(yīng)用場景緊密聯(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多個國家和地區(qū)，服務(wù)超過2000家行業(yè)用戶。隨著AI落地進(jìn)程的推進(jìn)，思嵐科技將會在原有的市場及技術(shù)積累優(yōu)勢上，進(jìn)一步遵循商業(yè)市場的進(jìn)化法則，逐步加入更為成熟的智能技術(shù)，在提升產(chǎn)品價值前提下，實現(xiàn)用戶體驗和成本控制的雙贏。

目前，我國已在機(jī)器人定位導(dǎo)航技術(shù)上積累了豐富的實踐經(jīng)驗和堅實的理論基礎(chǔ)，將來更需提高機(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。

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