掃地機器人室內(nèi)定位技術(shù)解析

　　相信屏幕前的各位看官應(yīng)該都有過掃地的經(jīng)歷，回想一下掃地的過程，可以分解為兩個主要的動作：走到某個位置；將其打掃干凈。與之相應(yīng)的，作為人類掃地勞動的替代者——掃地機器人也包含兩個主要的系統(tǒng)：自主導(dǎo)航系統(tǒng)和清掃系統(tǒng)。

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

　　| 機器人導(dǎo)航的三個經(jīng)典問題

　　說到機器人的自主導(dǎo)航，簡單來說可以歸結(jié)為由MIT教授John J. Leonard和原悉尼大學(xué)教授Hugh Durrant-Whyte提出的三個問題：

　?。?）Where am I ？

　?。?）Where I am going？

　?。?）How should I go there？

　　第一個問題是機器人的定位問題，即如何根據(jù)現(xiàn)在觀測到的和前面已知的信息，判斷機器人在當(dāng)前環(huán)境中的位置。第二個和第三個問題，實際上就是指定一個目標(biāo)，然后規(guī)劃一定的路徑來實現(xiàn)這個目標(biāo)。對一般的移動機器人來說，這個目標(biāo)是一個點，即點到點導(dǎo)航。而對掃地機器人來說，其目標(biāo)不是到達某一點，而是遍歷某一個區(qū)域，以實現(xiàn)對房間的清掃。今天讓我們先來看一下第一個問題，即掃地機器人的定位。

　　定位是包括掃地機器人在內(nèi)的移動機器人自主導(dǎo)航中最基本的環(huán)節(jié)，也是完成任務(wù)必須解決的問題。說到定位，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(nèi)定位，其要求定位精度高（最少在亞米級），實時性好，GPS、基站定位等方法無法滿足。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動態(tài)信息，通過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，慣性傳感器（如陀螺儀、加速度計）等。

　　碼盤法一般使用安裝在車輪上的光電碼盤記錄車輪的轉(zhuǎn)數(shù)，進而獲得機器人相對于上一采樣時刻位置和姿態(tài)的改變量，通過這些位移量的累積就可以估計機器人的位置。碼盤法優(yōu)點是方法簡單、價格低廉，但其容易受標(biāo)定誤差、車輪打滑、顛簸等因素影響，誤差較大。但是由于碼盤價格便宜，簡單易用，可用于機器人較短時間距離內(nèi)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加速度信息，通過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，但是其精度也要受陀螺儀漂移、標(biāo)定誤差、敏感度等問題影響。無論是使用碼盤還是慣性傳感器，它們都存在一個共同的缺點：有累積誤差，隨著行駛時間、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時間、長距離的精確定位。

　　| 絕對定位法

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

　　基于信標(biāo)的定位

　　信標(biāo)定位原指在航海或航空中利用無線電基站發(fā)出的無線電波實現(xiàn)定位與導(dǎo)航的技術(shù)。對機器人室內(nèi)定位而言是指，機器人通過各種傳感器接收或觀測環(huán)境中已知位置的信標(biāo)，經(jīng)過計算得出機器人與信標(biāo)的相對位置，再代入已知的信標(biāo)位置坐標(biāo)，解出機器人的絕對坐標(biāo)來實現(xiàn)定位。用于定位的信標(biāo)需滿足3個條件：

　?。?）信標(biāo)的位置固定且信標(biāo)的絕對坐標(biāo)已知；

　?。?）信標(biāo)具有主被動特征，易于辨識；

　　（3）信標(biāo)位置便于從各方向觀測。

　　信標(biāo)定位方式主要有三邊測量和三角測量 。三邊測量是根據(jù)測量得到的機器人與信標(biāo)的距離來確定移動機器人位置的方法。三邊測量定位系統(tǒng)至少需要3個已知位置的發(fā)射器（或接收器），而接收器（或發(fā)射器）安裝在移動機器人上。三角測量和三邊測量的思路大體一致，通過測量移動機器人與信標(biāo)之間的角度來進行定位。

　　基于信標(biāo)的定位系統(tǒng)依賴于一系列環(huán)境中已知特征的信標(biāo)，并需要在移動機器人上安裝傳感器對信標(biāo)進行觀測。用于信標(biāo)觀測的傳感器有很多種，比如超聲波傳感器、激光雷達、視覺傳感器等?？梢詫崟r測量，沒有累進誤差，精度相對較高、穩(wěn)定性好，提供快速、穩(wěn)定、精確的絕對位置信息，但安裝和維護信標(biāo)花費很高。市場上已經(jīng)出現(xiàn)較為成熟的基于信標(biāo)定位的信標(biāo)定位掃地機器人，如Proscenic的模擬GPS衛(wèi)星三點定位技術(shù)，iRobot的Northstar導(dǎo)航定位技術(shù)，但由于其價格較為昂貴，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

　　是機器人通過自身的各種傳感器探測周圍環(huán)境，利用感知到的局部環(huán)境信息進行局部的地圖構(gòu)造，并與其內(nèi)部事先存儲的完整地圖進行匹配。通過匹配關(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(jié)構(gòu)相對簡單的環(huán)境。

　　基于視覺的定位

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

　　基于視覺的定位主要分為單目視覺、雙目視覺。

　　單目視覺無法直接得到目標(biāo)的三維信息，只能通過移動獲得環(huán)境中特征點的深度信息，適用于工作任務(wù)比較簡單且深度信息要求不高的情況，如果利用目標(biāo)物體的幾何形狀模型，在目標(biāo)上取3個以上的特征點也能夠獲取目標(biāo)的位置等信息，但定位精度不高。

　　雙目立體視覺三維測量是基于視差原理的，即左相機像面上的任意一點只要能在右相機像面，上找到對應(yīng)的匹配點，就可以確定出該點的三維信息，從而獲取其對應(yīng)點的三維坐標(biāo)。

　　目前，基于視覺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年推出了基于視覺定位的高端掃地機器人RoomBa980和360Eye。

　　| 小結(jié)

　　自主定位是掃地機器人自主路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)。經(jīng)過多年的研究，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，但通過算法優(yōu)化，利用混合定位，可以減小其誤差帶來的影響。而且，隨著視覺定位等較高定位精度的定位方法的進一步成熟，其成本也將逐步下降，并將從高端市場逐漸推向大眾市場，到時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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