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巡邏機器人:雙導(dǎo)航融合是否1+1>2
2016年09月20日 18:47:39來源:中國安防展覽網(wǎng)點擊量:34488
導(dǎo)讀導(dǎo)航和定位是巡邏機器人完全自主運行的關(guān)鍵。根據(jù)位置估計和地圖進行自身定位,同時在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖,實現(xiàn)機器人的自主定位和導(dǎo)航。
  【中國安防展覽網(wǎng) 品牌專欄】 導(dǎo)航和定位是巡邏機器人完全自主運行的關(guān)鍵。根據(jù)位置估計和地圖進行自身定位,同時在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖,實現(xiàn)機器人的自主定位和導(dǎo)航。目前,在自主定位方面比較主流的方式有五種:磁軌跡導(dǎo)航系統(tǒng)、信標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光測距式導(dǎo)航系統(tǒng)、視覺導(dǎo)航系統(tǒng)。每種導(dǎo)航方式都有其優(yōu)點與局限性。
  
  磁軌跡導(dǎo)航系統(tǒng)
  
  預(yù)先在機器人運行路線上埋設(shè)軌跡,機器人運行過程中,身上的磁傳感器列陣監(jiān)測自身運動中心相對于磁軌跡的偏移,通過運動控制器控制左右差速,從而使機器人沿設(shè)定路線運行。同時,可設(shè)置既定的程序,使機器人在車載計算機控制下完成停靠、轉(zhuǎn)向、加減速、設(shè)備檢測等動作。

  
  此種方式實現(xiàn)簡單,且能滿足機器人導(dǎo)航高定位重復(fù)精度、強抗干擾能力的要求,目前在廠房和倉庫等場合普遍使用。但此種方法在實際運用中也面臨一些問題。比如,磁軌跡鋪設(shè)地面施工復(fù)雜、工作量大、物料消耗大、機器人運行不靈活、機器人越障高度受限于磁傳感器檢測距離等。出于經(jīng)濟性的考慮,并不適合于室外大面積鋪設(shè)。
  
  信標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)
  
  預(yù)先在機器人運行路線上設(shè)置信標(biāo),通過Zigbee無線信號進行通信。機器人接受到信標(biāo)發(fā)出的信號,判斷信標(biāo)方向與機器人前方向的夾角,并計算距離,通過算法得到短路線。
  
  此種導(dǎo)航方式設(shè)置簡單,成本低且易于操作,經(jīng)濟性比磁軌跡導(dǎo)航好。但此種方式對機器人的避障要求較高,當(dāng)前方有障礙物時,機器人要重新計算另一條路線,再次遇到障礙時,再計算……導(dǎo)致機器人效率低下,此種巡邏方式并不適合于復(fù)雜環(huán)境。
  
  慣性導(dǎo)航系統(tǒng)
  
  慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是利用對角速度敏感的陀螺儀和加速度計,依據(jù)初始位置姿態(tài)信息,通過積分運算確定載體當(dāng)前的姿態(tài)、速度、和位置信息,是一種不依賴于外界信息,也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。因此,慣性導(dǎo)航不受天氣、季節(jié)、地理位置的影響,可工作范圍廣泛。
  
  慣性技術(shù)早在1930就運用于航海導(dǎo)航,經(jīng)過人們對慣性技術(shù)進行了三代改進,形成了現(xiàn)代化的慣性導(dǎo)航技術(shù)——捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。將三軸的慣性測量傳感器固定在運動載體上,隨運動載體剛體運動,慣性平臺和導(dǎo)航坐標(biāo)系之間通過姿態(tài)變換矩陣過度,相當(dāng)于在計算機中建立數(shù)學(xué)的慣性平臺。

  
  慣性導(dǎo)航相當(dāng)于一種推算導(dǎo)航,大的弊端在于長時間的積分會導(dǎo)致誤差不斷積累,從而形成越來越大誤差,使得計算機存儲運動載體的位置和現(xiàn)實中的位置有差別,且自身無法糾正。商用級別的慣導(dǎo)器件精度:陀螺零偏穩(wěn)定性在0.1°~0.001°/h之間,加速度計零偏穩(wěn)定性在20~50/μg之間。

  
  激光測距式導(dǎo)航系統(tǒng)
  
  利用巡檢機器人攜帶的激光測距傳感器和里程計建立二維地圖,再利用激光測距傳感器的觀測信息(目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀)與所建立的地圖進行匹配并得到機器人的定位信息(包含位置和航向),后機器人導(dǎo)航控制系統(tǒng)利用以上定位信息導(dǎo)航機器人到達*位置。
  
  激光測距傳感器使用經(jīng)過調(diào)制的激光束,具有很強的抗散射能力。向環(huán)境發(fā)射調(diào)制過后的激光探測信號,接收反射信號時必須經(jīng)過解調(diào)才能分析處理,這樣就能保證接收到的都是有效的信息,避免其他信號干擾。
  
  激光導(dǎo)航的運用場景靈活多變,靈敏度高,黑暗環(huán)境一樣適用,運用于室內(nèi)是非常理想的導(dǎo)航方式。但在室外,由于外界環(huán)境物體分布稀疏,缺少目標(biāo)信息定位,且強烈的太陽光會影響激光的回收,此種導(dǎo)航方式運用并不是很理想。

  
  視覺導(dǎo)航系統(tǒng)
  
  利用搭載的單目或雙目攝像頭拍攝周圍的環(huán)境,獲取三維景物的二維圖像,并傳送給專用的圖像處理系統(tǒng),進行處理、分析、獲取關(guān)于機器人前進過程中的障礙物信息,規(guī)劃出安全抵達終點的行進路線。上述導(dǎo)航方式與人類獲取外界環(huán)境信息的方式有很大的相似之處,但人類可以迅速處理分辨出外部環(huán)境的障礙物信息、顏色信息等,而機器人很難做到這一點。
  
  攝像頭隨機器人一起運動,獲取的場景信息會因機器人的運動而不斷變化,使得圖像處理算法設(shè)計起來比較復(fù)雜,而且對攝像機標(biāo)定和運動模型的估計要求較高。當(dāng)機器人運動速度較快時,圖像處理采集速度也要變高,短時間之內(nèi)要處理大量的圖片信息,系統(tǒng)的實時性達不到要求,機器人很可能與前方的障礙物發(fā)生碰撞。
  
  雖然視覺導(dǎo)航算法復(fù)雜難以實現(xiàn),但與其它導(dǎo)航方式相比,它有著讓人無法忽視的優(yōu)越性,仍是導(dǎo)航方式重點研究方向。比如,視覺導(dǎo)航獲取信息量豐富,攝像機采集的圖像是視角范圍內(nèi)的全部信息,這種信息直觀、真實、可靠、全面,能夠獲取場景中絕大部分信息;視覺設(shè)備不容易受到外部其他設(shè)備的干擾而產(chǎn)生錯誤的信息;視覺設(shè)備的采樣周期比激光雷達和超聲波短,獲取場景信息更快,等等。

  
  對于室內(nèi)室外通用的巡邏機器人來說,采用單一的導(dǎo)航系統(tǒng)并不能完全滿足需求,融合兩種導(dǎo)航定位系統(tǒng)成為導(dǎo)航發(fā)展的新趨勢。尚云在線科技有限公司采用激光導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航相結(jié)合的方式,運用可信度邏輯,根據(jù)環(huán)境進行自主切換可信度較高的導(dǎo)航方式,可穿梭于室內(nèi)室外,大大提高了巡邏機器人的運用范圍和靈活性。同時兩種導(dǎo)航方式相互矯正,大幅度提高巡邏機器人導(dǎo)航定位度,完成任務(wù)。同時,能讓巡邏機器人聰明地記憶存儲位置關(guān)系,比如當(dāng)它因電量不足而自動返回充電完畢以后,能自動從上次返回的節(jié)點繼續(xù)開始巡邏。
  
  國內(nèi)巡邏機器人品牌廣州尚云在線科技有限公司,將帶著巡邏機器人家族參加9月22日-25日的廣州智博會,屆時將發(fā)布機器人家族新成員及它的全新導(dǎo)航技術(shù)。
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