室内移动机器人的定位导航技术探究

徐志智 李天剑

摘要：时代在发展，社会在进步，室内移动机器人虽然拥有饮食店的配送、银行服务、机场清扫等各种各样的应用场景，但出于当前部分的软件以及硬件技术的不成熟的原因，无法大规模生产室内机器人，也因此不能在市场上普及。在导航及定位技术层面，采用视觉传感器可以获得比激光雷达更丰富的环境信息，由此可以构建更加准确的环境地图，不过现在的方法定位的鲁棒性需要提高。还需要改善地图构筑方式。这篇文章基于地图构建方法、视觉定位理论优化定位算法，讨论如何实现在室内环境下机器人的定位导航功能。

关键词：室内；移动机器人；定位导航技术

第三次工业革命后，随着突飞猛进的现代科学技术，机器人技术越来越广泛地进入人们日常生产和生活，极大地便利了现代人的日常生活，人们对机器人技术的要求也越来越高。在机器人科技领域，机器人定位导航技术已经作为最新研究成果出现了，机器人能通过设置定位导航技术，将自己的任务完成得更加精确，我们可以说机器人科技的发展是被立体定位导航技术大大促进了。

一、关于室内移动机器人的说明

（一）什么是室内服务机器人

现在，服务机器人的初步定义如下：服务机器人是可以完成对人类健康有益的服务，但不包括从事生产的设备的半自主或完全自主作业的机器人。它是可以移动的机器，根据现实情况，服务机器人与能够在其上由一个移动平台构成的机器人手臂的控制方式相同，在此所说的室内服务机器人是能够在室内的作业环境下自主移动的智慧机器。

（二）什么是室内移动机器人的基础特质

与工业机器人相比，在使用上，体积相对较小、需要自备电源、通用性较强，以及具备智能的功能是室内移动服务机器人的一般特点。此外，室内服务机器人还具备着按区域运行作业和可移动性的功能。室内服务机器普遍具备一定的步行功能来执行各种各樣的特定任务。这类功能在主要是在车轮或推进装置等的行驶机构中实现，一般有多个控制轮存在机器人设置中来实现这类机器人的自主运动。并且具备自给电源；第二点是适应性，执行作业的机器人在障碍物间穿梭，在能回避这些障碍物的情况下进行工作，也有具有学习、感觉、判断功能的服务机器人，这是因为它们广泛采用了高性能视觉、听觉、触觉等多种传感器，具有一定的感知能力和自主能力；第三，室内服务机器人具有轻便性，移动机器人的功能比较完善、机构多，这是尽可能需要的移动机器人的变速器和装置，提高机动性减小其自重和容积，降低能耗。控制装置也在轻量化的同时，尽量减少中间传动机构，提高了机械传动效率；第四就是这类机器人非常便于人们操作，室内移动服务机器人与人的关系非常密切，在机器与人的交互过程中也需要经过不断地磨合和调整。基于这些条件，机器人设计者需要使机器人用户与机器人之间的相互协作迅速、方便。

（三）室内移动机器人的研究背景

移动机器人的不断发展过程中，科学家们首先以室内环境为背景开始探索研究移动机器人。在这种情况下，应用的背景和具体的任务并没有得到针对性的研究，主要开展的是包括机器人结构设计、传感器技术、控制技术、信息融合、路线计划在内的技术的关于屋内的结构化环境的基本的初步研究。在外国知名院校和研究机构的早期研究中，许多重要的结论被科学家们总结出来了.除此之外，通过将多传感器的信息与机器人相融合的运用，许许多多宝贵的经验教训得到了积累。基于前期研究技术的基础，室内自主移动机器人的研究开始了。

（四）室内移动机器人的作业环境

办公室、家庭办公室、超级市场，这些结构化的环境是室内移动机器人的最常见的作业环境，这些地方有着许多的共同特征：垂直的墙壁、平的地板、规范的走廊、大厅。室内移动机器人与人类在此类环境中能达成良好的交互。机器人必须设法使自己做各种各样的事情，在另一方面，通过假定环境相关的制约，机器人设计者可以在这样的环境中取得现在的环境识别技术的缺点的平衡。

二、室内服务机器人及其导航系统总体设计需要

自主设计巡视路线室内服务机器人需要在复杂的作业环境下实现自主巡视的重要前提，服务路线的计划需要利用机器人运动环境的地图。根据室内服务机器人的检查运动要求，设计室内服务机器人的导航系统。导航系统能够通过各种传感器检测、探索作业环境，进而实现对作业环境的考虑的地图构筑和机器人本体的定位。采用智能算法并使用构筑的地图来进行机器人的行驶规划。确保机器人系统能计划路径并查找最短的服务通道。我们第一步将分析室内服务机器人的导航系统的需求，根据导航系统的要求进行设计，完成对机器人的控制系统、感测系统、通信系统、动力系统、驱动系统以及决策系统的设计。确定整体设计要求和方案，确定室内服务机器人主体的硬件和软件的框架系统。

室内服务机器人可能要在复杂危险的作业环境下进行任务。这就要求要有非常高的性能、电池续航时间等，同时需要更高的自主性和智慧。室内服务机器人研究重点主要包括以下问题：在将人的干预降到最低的情况下可以控制自主导航进而自主完成工作的能力，而且，室内服务机器人必须在某些特殊危险的工作环境下严格符合防爆要求，综上所述，室内服务机器人研究的重点可以细分为以下这几个问题：

首先是可持续的性能，室内服务机器人可根据检查任务，时间间断。通过连续作业，提高了电池续航时间，在提高电池续航时间的同时，充分利用了可能的机器人本体的空间，优化了结构，减轻了机器人本体的重量，其待机时间得到了提高；其次是机动性、室内服务机器人的工作环境复杂、未知、具备良好的机动性是室内服务机器人适应各式各样的环境的重要前提，满足非结构化地形环境的使用条件，可通过倾斜路段、台阶、沟等复杂地形进行服务。第三是环境认识能力、室内服务机器人的作业环境复杂、未知，这是必须具备的最后室内服务机器人，在工作中处于危险的工作环境下，例如化工厂、核电站、石油精炼所等。为避免室内服务机器人变成运行的潜在爆发源，造成不必要的财产经济损失，这类机器人还需要具备良好的防爆性。

三、小结

机器人的导航是一项在机器人领域的基本研究，很多种类的机器人能够完成其他复杂的任务作为在某一环境中自主移动的前提是这项研究的重要意义所在。科学技术不断发展的这些年来，随着机器人技术和人工智能技术的发展，整个社会不断增加室内服务机器人的需求量，学术界和工业界也投入大量资源，对机器人的导航技术进行了深入的研究和应用探索。随着室内机器人的导航技术逐渐成熟，随着室内移动机器人的快速发展，单一导航技术已经不能满足现代化的需求。通过提高机器人的导航技术，实现机器人技术水平的提高，扩大应用领域已经成为机器人发展的新趋势，我们可以相信在未来的社会生活中，移动机器人必然会取得更好的发展。

参考文献

[1]郭振昊.室内服务机器人定位和导航方案设计与实现[C].电子科技大学，2018.

[2]李鹏.基于视觉的室内巡检机器人导航技术研究[C].中国矿业大学，2018.

[3]张飘艺.移动机器人室内路径规划技术研究与实现[C].西安科技大学，2018.

[4]王朝文.室内移动机器人视觉定位导航系统研究[C].电子科技大学，2018.

（作者单位：北京信息科技大学 机电工程学院）