掃地機器人室內定位技術(shù)解析

　　相信屏幕前的各位看官應該都有過(guò)掃地的經(jīng)歷，回想一下掃地的過(guò)程，可以分解為兩個(gè)主要的動(dòng)作：走到某個(gè)位置；將其打掃干凈。與之相應的，作為人類(lèi)掃地勞動(dòng)的替代者——掃地機器人也包含兩個(gè)主要的系統：自主導航系統和清掃系統。

　　如果說(shuō)清掃系統是掃地機器人冠以“掃地”之名的本錢(qián)，是掃地機器人之心；那么自主導航系統就是它冠以“機器人”之名的底氣，是掃地機器人之腦。如果沒(méi)有自主導航系統，那么它只能被稱(chēng)為“掃地機器”而不是“掃地機器人”。下面就讓我們具體來(lái)看一下掃地機器人的“底氣”是怎么產(chǎn)生的。

　　| 機器人導航的三個(gè)經(jīng)典問(wèn)題

　　說(shuō)到機器人的自主導航，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)可以歸結為由MIT教授John J. Leonard和原悉尼大學(xué)教授Hugh Durrant-Whyte提出的三個(gè)問(wèn)題：

　?。?）Where am I ？

　?。?）Where I am going？

　?。?）How should I go there？

　　第一個(gè)問(wèn)題是機器人的定位問(wèn)題，即如何根據現在觀(guān)測到的和前面已知的信息，判斷機器人在當前環(huán)境中的位置。第二個(gè)和第三個(gè)問(wèn)題，實(shí)際上就是指定一個(gè)目標，然后規劃一定的路徑來(lái)實(shí)現這個(gè)目標。對一般的移動(dòng)機器人來(lái)說(shuō)，這個(gè)目標是一個(gè)點(diǎn)，即點(diǎn)到點(diǎn)導航。而對掃地機器人來(lái)說(shuō)，其目標不是到達某一點(diǎn)，而是遍歷某一個(gè)區域，以實(shí)現對房間的清掃。今天讓我們先來(lái)看一下第一個(gè)問(wèn)題，即掃地機器人的定位。

　　定位是包括掃地機器人在內的移動(dòng)機器人自主導航中最基本的環(huán)節，也是完成任務(wù)必須解決的問(wèn)題。說(shuō)到定位，大家首先想到的可能是GPS定位、基站定位等常用的室外定位。

　　與之不同，掃地機器人的定位都是室內定位，其要求定位精度高（最少在亞米級），實(shí)時(shí)性好，GPS、基站定位等方法無(wú)法滿(mǎn)足。掃地機器人定位總體上可以分為相對定位和絕對定位，下面我們分別來(lái)看。

　　| 相對定位法

　　航位推算法（Dead-Reckoning Method）是一種經(jīng)典的相對定位法，也是掃地機器人目前最為廣泛使用的一種定位方法。它利用機器人裝備的各種傳感器獲取機器人的運動(dòng)動(dòng)態(tài)信息，通過(guò)遞推累計公式獲得機器人相對初試狀態(tài)的估計位置。航位推算較常使用的傳感器一般有：碼盤(pán)，慣性傳感器（如陀螺儀、加速度計）等。

　　碼盤(pán)法一般使用安裝在車(chē)輪上的光電碼盤(pán)記錄車(chē)輪的轉數，進(jìn)而獲得機器人相對于上一采樣時(shí)刻位置和姿態(tài)的改變量，通過(guò)這些位移量的累積就可以估計機器人的位置。碼盤(pán)法優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但其容易受標定誤差、車(chē)輪打滑、顛簸等因素影響，誤差較大。但是由于碼盤(pán)價(jià)格便宜，簡(jiǎn)單易用，可用于機器人較短時(shí)間距離內的位置估計。

　　慣性傳感器使用陀螺儀和加速度計得到機器人的角加速度和線(xiàn)加速度信息，通過(guò)積分獲得機器人的位置信息。一般情況下，使用慣性傳感器的定位精度高于碼盤(pán)，但是其精度也要受陀螺儀漂移、標定誤差、敏感度等問(wèn)題影響。無(wú)論是使用碼盤(pán)還是慣性傳感器，它們都存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)：有累積誤差，隨著(zhù)行駛時(shí)間、距離的不斷增加，誤差也不斷增大。因此相對定位法不適合于長(cháng)時(shí)間、長(cháng)距離的精確定位。

　　| 絕對定位法

　　絕對定位法是指機器人通過(guò)獲得外界一些位置等己知的參照信息，通過(guò)計算自己與參照信息之間的相互關(guān)系，進(jìn)而解算出自己的位置。。絕對定位主要采用基于信標的定位、環(huán)境地圖模型匹配定位、視覺(jué)定位等方法。

　　基于信標的定位

　　信標定位原指在航?；蚝娇罩欣脽o(wú)線(xiàn)電基站發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電波實(shí)現定位與導航的技術(shù)。對機器人室內定位而言是指，機器人通過(guò)各種傳感器接收或觀(guān)測環(huán)境中已知位置的信標，經(jīng)過(guò)計算得出機器人與信標的相對位置，再代入已知的信標位置坐標，解出機器人的絕對坐標來(lái)實(shí)現定位。用于定位的信標需滿(mǎn)足3個(gè)條件：

　?。?）信標的位置固定且信標的絕對坐標已知；

　?。?）信標具有主被動(dòng)特征，易于辨識；

　?。?）信標位置便于從各方向觀(guān)測。

　　信標定位方式主要有三邊測量和三角測量 。三邊測量是根據測量得到的機器人與信標的距離來(lái)確定移動(dòng)機器人位置的方法。三邊測量定位系統至少需要3個(gè)已知位置的發(fā)射器（或接收器），而接收器（或發(fā)射器）安裝在移動(dòng)機器人上。三角測量和三邊測量的思路大體一致，通過(guò)測量移動(dòng)機器人與信標之間的角度來(lái)進(jìn)行定位。

　　基于信標的定位系統依賴(lài)于一系列環(huán)境中已知特征的信標，并需要在移動(dòng)機器人上安裝傳感器對信標進(jìn)行觀(guān)測。用于信標觀(guān)測的傳感器有很多種，比如超聲波傳感器、激光雷達、視覺(jué)傳感器等?？梢詫?shí)時(shí)測量，沒(méi)有累進(jìn)誤差，精度相對較高、穩定性好，提供快速、穩定、精確的絕對位置信息，但安裝和維護信標花費很高。市場(chǎng)上已經(jīng)出現較為成熟的基于信標定位的信標定位掃地機器人，如Proscenic的模擬GPS衛星三點(diǎn)定位技術(shù)，iRobot的Northstar導航定位技術(shù)，但由于其價(jià)格較為昂貴，它們都用于相對高端的產(chǎn)品中。

　　環(huán)境地圖模型匹配定位

　　是機器人通過(guò)自身的各種傳感器探測周?chē)h(huán)境，利用感知到的局部環(huán)境信息進(jìn)行局部的地圖構造，并與其內部事先存儲的完整地圖進(jìn)行匹配。通過(guò)匹配關(guān)系獲得自己在全局環(huán)境中的位置，從而確定自身的位置。該方法由于有嚴格的條件限制，只適于一些結構相對簡(jiǎn)單的環(huán)境。

　　基于視覺(jué)的定位

　　科學(xué)研究統計表明，人類(lèi)從外界獲得信息量約有75%來(lái)自視覺(jué)，視覺(jué)系統是機器人與人類(lèi)感知環(huán)境最接近的探測方式。受益于模式識別、機器視覺(jué)的發(fā)展，基于視覺(jué)的機器人定位近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)。

　　基于視覺(jué)的定位主要分為單目視覺(jué)、雙目視覺(jué)。

　　單目視覺(jué)無(wú)法直接得到目標的三維信息，只能通過(guò)移動(dòng)獲得環(huán)境中特征點(diǎn)的深度信息，適用于工作任務(wù)比較簡(jiǎn)單且深度信息要求不高的情況，如果利用目標物體的幾何形狀模型，在目標上取3個(gè)以上的特征點(diǎn)也能夠獲取目標的位置等信息，但定位精度不高。

　　雙目立體視覺(jué)三維測量是基于視差原理的，即左相機像面上的任意一點(diǎn)只要能在右相機像面，上找到對應的匹配點(diǎn)，就可以確定出該點(diǎn)的三維信息，從而獲取其對應點(diǎn)的三維坐標。

　　目前，基于視覺(jué)定位的掃地機器人也已有產(chǎn)品推出，iRobot和Dyson分別于2015年及2014年推出了基于視覺(jué)定位的高端掃地機器人RoomBa980和360Eye。

　　| 小結

　　自主定位是掃地機器人自主路徑規劃的基礎。經(jīng)過(guò)多年的研究，雖然受成本、生產(chǎn)等因素的制約，航位推算法仍然是目前采用最廣泛的定位方法，但通過(guò)算法優(yōu)化，利用混合定位，可以減小其誤差帶來(lái)的影響。而且，隨著(zhù)視覺(jué)定位等較高定位精度的定位方法的進(jìn)一步成熟，其成本也將逐步下降，并將從高端市場(chǎng)逐漸推向大眾市場(chǎng)，到時(shí)候掃地機器人的定位精度，智能化水平都將有普遍的提升。
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