一、引言

    智能自主移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)能夠通過(guò)傳感器感知外界環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng)，從而完成一定作業(yè)功能。其本身能夠認(rèn)識(shí)工作環(huán)境和工作對(duì)象，能夠根據(jù)人給予的指令和“自身”認(rèn)識(shí)外界來(lái)獨(dú)立地工作，能夠利用操作機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)完成復(fù)雜的操作任務(wù)。因此，要使智能移動(dòng)機(jī)器人具有特定智能，其首先就須具有多種感知功能，進(jìn)而進(jìn)行復(fù)雜的邏輯推理、規(guī)劃和決策，在作業(yè)環(huán)境中自主行動(dòng)。機(jī)器人在行走過(guò)程中通常會(huì)碰到并且要解決如下三個(gè)問(wèn)題：（1）我（機(jī)器人）現(xiàn)在何處？（2）我要往何處走？（3）我要如何到達(dá)該處？其中第一個(gè)問(wèn)題是其導(dǎo)航系統(tǒng)中的定位及其跟蹤問(wèn)題，第二、三個(gè)是導(dǎo)航系統(tǒng)的路徑規(guī)劃問(wèn)題。移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與定位技術(shù)的任務(wù)就是解決上面的三個(gè)問(wèn)題。移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)自主運(yùn)動(dòng)，這就是通常所說(shuō)的智能自主移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)。而定位則是確定移動(dòng)機(jī)器人在工作環(huán)境中相對(duì)于全局坐標(biāo)的位置及其本身的姿態(tài)，是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的基本環(huán)節(jié)。
    目前，應(yīng)用于自主移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航定位技術(shù)有很多，歸納起來(lái)主要有：安裝CCD 攝像頭的視覺(jué)導(dǎo)航定位、光反射導(dǎo)航定位、全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)、聲音導(dǎo)航定位以及電磁導(dǎo)航定位等。下面分別對(duì)這幾種方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹和分析。

二、主移動(dòng)機(jī)器人常用的導(dǎo)航定位方法

1、視覺(jué)導(dǎo)航定位

    在視覺(jué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的是基于局部視覺(jué)的在機(jī)器人中安裝車(chē)載攝像機(jī)的導(dǎo)航方式。在這種導(dǎo)航方式中，控制設(shè)備和傳感裝置裝載在機(jī)器人車(chē)體上， 圖像識(shí)別、路徑規(guī)劃等高層決策都由車(chē)載控制計(jì)算機(jī)完成。視覺(jué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要包括：攝像機(jī)（或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?，F(xiàn)在有很多機(jī)器人系統(tǒng)采用CCD 圖像傳感器，其基本元件是一 行硅成像元素，在一個(gè)襯底上配置光敏元件和電荷轉(zhuǎn)移器件，通過(guò)電荷的依次轉(zhuǎn)移，將多個(gè)象素的視頻信號(hào)分時(shí)、順序地取出來(lái)，如面陣CCD傳感器采集的圖像的分辨率可以從32×32 到1024×1024 像素等。視覺(jué)導(dǎo)航 定位系統(tǒng)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。
    視覺(jué)導(dǎo)航定位中，圖像處理計(jì)算量大，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理的速度要達(dá)到576MOPS~5.76BOPS，這樣的運(yùn)算速度在一般計(jì)算機(jī)上難以實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)時(shí)性差這一瓶頸問(wèn)題有待解決；
    另外，對(duì)于要求在黑暗環(huán)境中作業(yè)的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，這種導(dǎo)航定位方式因?yàn)槭芄饩€條件限制也不太適應(yīng)。
    當(dāng)今國(guó)內(nèi)外廣泛研制的競(jìng)賽足球機(jī)器人通常都采用上面所說(shuō)的視覺(jué)導(dǎo)航定位方式，在機(jī)器人小車(chē)子系統(tǒng)中安裝攝像頭，配置圖像采集板等硬件設(shè)備和圖像處理軟件等組成機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)。通過(guò)這個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)，足球機(jī)器人就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)球的監(jiān)測(cè)，機(jī)器人自身的定位，作出相應(yīng)動(dòng)作和預(yù)測(cè)球的走向等功能。

2、光反射導(dǎo)航定位

    典型的光反射導(dǎo)航定位方法主要是利用激光或紅外傳感器來(lái)測(cè)距。激光和紅外都是利用光反射技術(shù)來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航定位的。
    激光全局定位系統(tǒng)一般由激光器旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、反射鏡、光電接收裝置和數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置等部分組成。工作時(shí)，激光經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)鏡面機(jī)構(gòu)向外發(fā)射，當(dāng)掃描到由后向反射器構(gòu)成的合作路標(biāo)時(shí)，反射光經(jīng)光電接收器件處理作為檢測(cè)信號(hào)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序讀取旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的碼盤(pán)數(shù)據(jù)（目標(biāo)的測(cè)量角度值），然后通過(guò)通訊傳遞到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)已知路標(biāo)的位置和檢測(cè)到的信息，就可以計(jì)算出傳感器當(dāng)前在路標(biāo)坐標(biāo)系下的位置和方向，從而達(dá)到進(jìn)一步導(dǎo)航定位的目的。
    圖1 是一個(gè)LDSR 激光傳感器系統(tǒng)原理框圖。激光測(cè)距具有光束窄、平行性好、散射小、測(cè)距方向分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它也受環(huán)境因素干擾比較大，因此采用激光測(cè)距時(shí)怎樣對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行去噪等也是一個(gè)比較大的難題，另外激光測(cè)距也存在盲區(qū)，所以光靠激光進(jìn)行導(dǎo)航定位實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，在工業(yè)應(yīng)用中，一般還是在特定范圍內(nèi)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，如檢測(cè)管道裂縫等場(chǎng)合應(yīng)用較多。

    紅外傳感技術(shù)經(jīng)常被用在多關(guān)節(jié)機(jī)器人避障系統(tǒng)中，用來(lái)構(gòu)成大面積機(jī)器人“敏感皮膚”，覆蓋在機(jī)器人手臂表面，可以檢測(cè)機(jī)器人手臂運(yùn)行過(guò)程中遇到的各種物體。典型的紅外傳感器工作原理如圖2 所示。該傳感器包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管。由紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)，紅外光敏管接收目標(biāo)物反射的紅外調(diào)制信號(hào)，環(huán)境紅外光干擾的消除由信號(hào)調(diào)制和專(zhuān)用紅外濾光片保證。設(shè)輸出信號(hào)Vo 代表反射光強(qiáng)度的電壓輸出，則Vo 是探頭至工件間距離的函數(shù)：

Vo=f(x，p)                       （1）

式中，p—工件反射系數(shù)。p 與目標(biāo)物表面顏色、粗糙度有關(guān)。x—探頭至工件間距離。
    當(dāng)工件為p 值一致的同類(lèi)目標(biāo)物時(shí)，x 和Vo 一一對(duì)應(yīng)。x可通過(guò)對(duì)各種目標(biāo)物的接近測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到。這樣通過(guò)紅外傳感器就可以測(cè)出機(jī)器人距離目標(biāo)物體的位置，進(jìn)而通過(guò)其他的信息處理方法也就可以對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航定位。
    雖然紅外傳感定位同樣具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)樗鼈兘嵌确直媛矢?，而距離分辨率低，因此在移動(dòng)機(jī)器人中，常用作接近覺(jué)傳感器，探測(cè)臨近或突發(fā)運(yùn)動(dòng)障礙，便于機(jī)器人緊急停障。

3、GPS 全球定位系統(tǒng)

    GPS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是利用環(huán)繞地球的24 顆衛(wèi)星，準(zhǔn)確計(jì)算使用者所在位置的龐大衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)。GPS 系統(tǒng)包括三大部分：空間部分—GPS 衛(wèi)星，地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)，用戶(hù)設(shè)備部分—GPS 信號(hào)接收機(jī)。每顆衛(wèi)星距離地面約17,000km，能連續(xù)發(fā)射一定頻率的無(wú)線電信號(hào)，在地球的任一地點(diǎn)能向使用者提供4 顆以上衛(wèi)星的信號(hào)。該信號(hào)是GPS 向廣大用戶(hù)發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的載波，它一般包括三種信號(hào)分量：載波、測(cè)距碼、數(shù)據(jù)碼，只要持有便攜式信號(hào)接收儀，則無(wú)論身處陸地、海上還是空中，都能收到衛(wèi)星發(fā)出的特定信號(hào)。接收儀中的電腦只要選取4 顆或4 顆以上衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行分析，就能確定接收儀持有者的位置。如今，在智能機(jī)器人的導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用中，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(hù)，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。但是因?yàn)樵谝苿?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)。
     GPS 導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，除了最初的軍事領(lǐng)域中外，在民用方面也得到了廣泛的應(yīng)用，例如城市中的車(chē)輛查找跟蹤等都是基于GPS 的導(dǎo)航定位原理。而在機(jī)器人應(yīng)用中，一般還都是軍事目的，例如美國(guó)研制的軍用掃雷機(jī)器人和偵察機(jī)器人就是利用GPS 來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航定位的。

4、超聲波導(dǎo)航定位

    超聲波導(dǎo)航定位的工作原理也與激光和紅外類(lèi)似，通常是由超聲波傳感器的發(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到接收裝置。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                 （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。
    當(dāng)然，也有不少移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航定位中用到的是分開(kāi)的發(fā)射和接收裝置，在環(huán)境地圖中布置多個(gè)接收裝置，而在移動(dòng)機(jī)器人上安裝發(fā)射探頭。
    在移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航定位中，因?yàn)槌暡▊鞲衅髯陨淼娜毕荩纾虹R面反射、有限的波束角等，給充分獲得周邊環(huán)境信息造成了困難，因此，通常采用多傳感器組成的超聲波傳感系統(tǒng)，建立相應(yīng)的環(huán)境模型，通過(guò)串行通信把傳感器采集到的信息傳遞給移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再根據(jù)采集的信號(hào)和建立的數(shù)學(xué)模型采取一定的算法進(jìn)行對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)處理便可以得到機(jī)器人的位置環(huán)境信息。
    由于超聲波傳感器具有成本低廉、采集信息速率快、距離分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)被廣泛地應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航定位中。而且它采集環(huán)境信息時(shí)不需要復(fù)雜的圖像配備技術(shù)，因此測(cè)距速度快、實(shí)時(shí)性好。同時(shí)，超聲波傳感器也不易受到如天氣條件、環(huán)境光照及障礙物陰影、表面粗糙度等外界環(huán)境條件的影響。超聲波進(jìn)行導(dǎo)航定位已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各種移動(dòng)機(jī)器人的感知系統(tǒng)中。
    筆者目前正在研究的液下攪拌機(jī)器人要工作在水煤漿介質(zhì)里，在這種環(huán)境下要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人車(chē)體的檢測(cè)定位和實(shí)時(shí)控制，綜合各種因素考慮就要采用超聲波進(jìn)行傳感定位。圖3所示的就是該超聲波導(dǎo)航定位系統(tǒng)布置圖，小車(chē)在罐底作圓周運(yùn)動(dòng)，在車(chē)上左右兩側(cè)各安裝一發(fā)射探頭，其聲波信號(hào)被安裝在按罐壁圓周均布的八個(gè)接收裝置定時(shí)接收，然后再通過(guò)超聲換能器和信號(hào)處理電路等對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理，最后通過(guò)數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)卡把采集的信號(hào)傳遞給上位機(jī)進(jìn)行計(jì)算，從而就可以得到每時(shí)每刻機(jī)器人小車(chē)行走到達(dá)的確切位置，上位機(jī)再根據(jù)計(jì)算得出的結(jié)果對(duì)小車(chē)工作狀況進(jìn)行分析，又反過(guò)來(lái)通過(guò)PMAC 卡（多軸運(yùn)動(dòng)控制卡）控制與小車(chē)相聯(lián)的電機(jī)，通過(guò)調(diào)整兩個(gè)小車(chē)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速來(lái)控制小車(chē)的運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人小車(chē)的導(dǎo)航定位和實(shí)時(shí)控制。

    該傳感定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)就在于超聲波在水媒漿介質(zhì)里傳導(dǎo)距離有限（一般僅為10m多，而罐的直徑大的有40m），另外超聲波也存在盲區(qū)，就有可能導(dǎo)致在某些位置存在收不到信號(hào)的現(xiàn)象，還有就是對(duì)信號(hào)的去噪處理也是一大難題。

三、其他

     以上簡(jiǎn)單描述了幾種典型的導(dǎo)航定位的方法及所采用的傳感器的工作原理，當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中還有用到其它方法進(jìn)行導(dǎo)航定位的，如在機(jī)器人行走規(guī)劃路徑上布置感應(yīng)線圈，通過(guò)在機(jī)器人身上安裝感應(yīng)裝置來(lái)進(jìn)行電磁感應(yīng)，根據(jù)不同的電流信號(hào)來(lái)決定機(jī)器人所在的位置。也有由于單一傳感定位方法不能保證足夠的精度，而在某種場(chǎng)合下采用上述幾種傳感器進(jìn)行多傳感信息融合的，這樣便于并行快速地分析現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，而且在某一傳感器發(fā)生故障時(shí)，可以迅速進(jìn)行重組，保證機(jī)器人始終正常工作。

四、結(jié)論

    導(dǎo)航定位技術(shù)是智能機(jī)器人所要解決的核心技術(shù)之一，迄今為止其手段主要為圖象、光、聲、電磁等原理方法的運(yùn)用，根據(jù)機(jī)器人工作的空間環(huán)境、介質(zhì)性質(zhì)、行走距離、定位精度、對(duì)信號(hào)的敏感性等方面要求，確定解決問(wèn)題的合理方式是其重點(diǎn)。我們的研究針對(duì)漿液下攪拌機(jī)器人的特點(diǎn)，提出了擬采用超聲波傳感定位系統(tǒng)的初步方案。