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    中國(guó)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(guó)服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)2017-2019》顯示,2018年中國(guó)服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到122.9億元人民幣,同比增長(zhǎng)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(gè)行業(yè)持續(xù)滲透。預(yù)計(jì)服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)在未來(lái)三年內(nèi)仍將維持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),專(zhuān)業(yè)級(jí)市場(chǎng)將成為服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)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(wèn)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(guó)內(nèi)機(jī)器人定位導(dǎo)航領(lǐng)先品牌展開(kāi)討論。

    中國(guó)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

    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(jué)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(guò)對(duì)目標(biāo)物發(fā)射激光信號(hào),再根據(jù)從物體反射回來(lái)的信號(hào)時(shí)間差來(lái)計(jì)算這段距離,然后再發(fā)射激光的角度來(lái)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(duì)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(diǎn),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(jué)定位導(dǎo)航

    視覺(jué)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(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。而它的的工作原理簡(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。但該技術(shù)圖像處理量巨大,一般計(jì)算機(jī)無(wú)法完成運(yùn)算,實(shí)時(shí)性比較差,且容易受光線條件限制,無(wú)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(shí)發(fā)射調(diào)制的紅外射線,通過(guò)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(gè)光學(xué)傳感器,這個(gè)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(cè)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(cè)量,且響應(yīng)時(shí)間短行動(dòng)速度較快。但受環(huán)境的干擾較大,對(duì)于近似黑體、透明的物體無(wú)法檢測(cè)距離,且有其他遮擋物的時(shí)無(wú)法正常工作,需要每個(gè)房間、走廊安裝接收天線,鋪設(shè)導(dǎo)軌,造價(jià)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(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 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。超聲波定位導(dǎo)航技術(shù)成本低廉并可以識(shí)別紅外傳感器識(shí)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?chē)h(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(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,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。但在移動(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)。

    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(shí)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(duì)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(duì)定位和相對(duì)定位之分。

    相對(duì)定位技術(shù)以測(cè)距法和慣性導(dǎo)航法為主,測(cè)距法常采用的傳感器有光電編碼器、里程計(jì)和航向陀螺儀,其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的短期精度、低廉的價(jià)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(jì)實(shí)現(xiàn)定位,陀螺儀測(cè)量回轉(zhuǎn)速度,加速度計(jì)測(cè)量加速度。相對(duì)定位技術(shù)的基本思路都是基于測(cè)量值的累積,因而無(wú)法避免時(shí)間漂移問(wèn)題,隨著路徑的增長(zhǎng),任何小的誤差經(jīng)過(guò)累積都會(huì)無(wú)限增加。因此,相對(duì)定位不適于長(zhǎng)距離和長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)確定位,通常將它們與絕對(duì)位置測(cè)量技術(shù)相結(jié)合,以獲得更可靠的位置估計(jì)。

    在絕對(duì)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(shí)存在近距離定位精度低等問(wèn)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(guò)對(duì)路標(biāo)的探測(cè)來(lái)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(guò)自身的傳感器探測(cè)周?chē)h(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(gè)局部地圖與預(yù)先存儲(chǔ)的完整地圖進(jìn)行比較,如兩地圖相互匹配,就能計(jì)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(gè)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(wú)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(diǎn)。

    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(diǎn)和多邊形障礙物的各頂點(diǎn)視為節(jié)點(diǎn),把機(jī)器人、目標(biāo)點(diǎn)和多邊形障礙物的各頂點(diǎn)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(diǎn)之間、目標(biāo)點(diǎn)和障礙物各頂點(diǎn)之間以及各障礙物頂點(diǎn)與頂點(diǎn)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(wèn)題就轉(zhuǎn)化為在這些直線中搜索從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最短距離問(wèn)題??梢晥D法能求得最短路徑,但缺乏靈活性,若障礙物過(guò)多,搜索時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)。

    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(gè)矩形柵格有一個(gè)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(huì)不斷被檢測(cè)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(chǔ)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(chǔ)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(shì)場(chǎng)法、模糊邏輯算法、遺傳算法等。

    人工勢(shì)場(chǎng)法是將機(jī)器人在未知環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)視為在人工虛擬力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),即目標(biāo)對(duì)被規(guī)劃對(duì)象存在吸引力,而障礙物對(duì)其有排斥力,引力與斥力的合力作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的加速力,從而計(jì)算機(jī)器人的位置和控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。勢(shì)場(chǎng)法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于低層的實(shí)時(shí)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(yàn)來(lái)決策采取什么樣的操作,該法克服了勢(shì)場(chǎng)法易產(chǎn)生局部極小的問(wèn)題,計(jì)算量不大,易做到邊規(guī)劃邊跟蹤,適用于時(shí)變未知環(huán)境下的路徑規(guī)劃,實(shí)時(shí)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(wèn)題進(jìn)行編碼,每一個(gè)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(gè)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(duì)種群進(jìn)行性能評(píng)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(lèi)似于自然選擇的某種力量,繁殖、交叉和變異這三個(gè)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(diǎn)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(diǎn)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(jì)算機(jī)技術(shù)等多門(mén)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(lái)越高,在享受機(jī)器人定位導(dǎo)航技術(shù)成果的同時(shí),也必須接受行業(yè)所帶來(lái)新挑戰(zhàn),經(jīng)總結(jié)主要如下:

    1.視覺(jué)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(jì)算設(shè)備的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量的限制,其中的圖像處理速度慢始終沒(méi)有得到很好的解決,相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)圖像信息處理方法研究的深入,這一問(wèn)題最終將得到解決。

    2.導(dǎo)航系統(tǒng)的模塊化問(wèn)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(gè)重要課題。

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

    4.在機(jī)器人的很多應(yīng)用場(chǎng)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(diǎn),因而需要開(kāi)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(guò)網(wǎng)絡(luò)把機(jī)器人的決策級(jí)操作分解到 機(jī)器人自身的計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)端的主計(jì)算機(jī)。機(jī)器人把采集到的視覺(jué)信號(hào)和傳感信號(hào)按照一定的標(biāo)準(zhǔn)合成,再傳送到遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析處理 ,然后發(fā)出控制信號(hào)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(guó)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(guó)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(chǎng)上的應(yīng)用情況來(lái)看,目前思嵐科技、云跡科技、速感科技、速騰聚創(chuàng)、愛(ài)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(chǎng)占有率遙遙領(lǐng)先,思嵐科技是國(guó)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(shí)刻關(guān)注市場(chǎng)變化和需求,注重將技術(shù)與應(yīng)用場(chǎng)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(gè)國(guó)家和地區(qū),服務(wù)超過(guò)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(huì)在原有的市場(chǎng)及技術(shù)積累優(yōu)勢(shì)上,進(jìn)一步遵循商業(yè)市場(chǎng)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(jià)值前提下,實(shí)現(xiàn)用戶體驗(yàn)和成本控制的雙贏。

    目前,我國(guó)已在機(jī)器人定位導(dǎo)航技術(shù)上積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),將來(lái)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(lèi)。

    極客網(wǎng)企業(yè)會(huì)員

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    2018-10-10
    中國(guó)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(guó)服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)2017-2019》顯示,2018年中國(guó)服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到122.9億元人民幣,同比增長(zhǎng)27.2%。

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