小型室内机器人定位技术的研究与应用

何春俐，张连军

(1.佳木斯大学附属第二医院，黑龙江 佳木斯154007； 2.佳木斯大学 机械工程学院，黑龙江 佳木斯154007)

当今时代，机器人技术发展越来越快，很多人力劳动都被机器人代替，商业资金的注入更加促进了它的发展。如今，移动机器人应用更加广泛，其定位技术就显得非常重要。移动机器人定位是确定它在环境中所处位置的过程，是实现移动机器人导航能力的关键。目前，机器人的定位方式方法是随着传感器的发展而发展，随着传感器的应用不同，它的定位方式也会不一样[1]。智能传感器和新型传感器的不断应用使得小型室内移动机器人越来越智能化，定位越来越精准[2]。

1 国内外研究现状

随着人工智能和机器人技术的不断进步，机器人逐渐在工业、航天、医疗等领域得到了广泛应用。移动机器人要能够依据自身所处的环境特征对于自身位置进行定位，定位的精度决定了机器人是否能够准确又高效的完成任务[3]。

李明研究了基于移动机器人的定位系统。该系统是在室内环境中运行的，该系统定位误差小于12 cm，在关联系统中属于定位精度比较准确的[4]。张磊研究的定位系统是由ZigBee 网络构成的，他搭建的测试平台和对相关参考点的计算通过改进算法来使定位精度得到提高，布局精度可达0.63 m，这种方法能够满足普通的定位要求[5]。崔冰石利用超声波来实现机器人系统定位，在系统中还采用了无线定位电子标签技术，该系统利用超声波实现了距离测量，减少了定位的不确定性，同时可在一定环境下利用现有的射频识别定位系统来实现定位，还可以通过无线电子标签和机器人上的传感器进行互相通信并进行计算来实现定位，这种方法定位精度很高[6]。Cui Feng提出了一种地图匹配的方法，该方法采用了可信度算法，提高了移动机器人全球定位系统的定位精度，可以从GPS数据流中提取经纬度，建立电子地图，并通过电子地图来确定机器人运动轨迹。这种定位方法利用了全球定位系统的信息，可用这部分信息来服务于自身系统，但这种定位方法的精度主要依赖于全球定位系统提供的数据[7]。

2 小型室内机器人定位技术研究

小型室内移动机器人的研究发展很快，研究人员根据不同方法、不同技术的应用对定位精度进行比较，希望找出最佳方法，但每种方式和方法都各有利弊。根据室内移动机器人定位技术所采用的传感器不同，现将室内机器人定位技术分为以下几种：

2.1 视觉定位技术

视觉定位通过视觉传感器来进行信息的采集和获取。目前，大多采用高质量数码照相机取得的高清图像来作为信息来源，采集到的图像需要进行分析和处理。视觉定位可以从外部或内部自主定位，也可以在外部的固定位置安装图片采集传感器，在移动物体上安装图像敏感元件，以此来实现信息的传递，之后再通过图像处理和算法来实现定位[8]。自主定位主要是指将照相机安装在待定位的载体上，用于对收集到的图像进行实时定位。视觉定位较为方便，容易实现，而且精度也比较高，定位误差在几毫米之内。但视觉定位往往需要一个强大的处理器和较大的资源库。

2.2 超声波定位技术

超声波定位是根据超声波的传输特性和原理来制造传感器，把超声波信号转换成电参量，可以通过这种传感器来发射和接受超声波信号。由于超声波信号具有较好的反射性质，而且声波信号的传播在相同媒介中变化很小，超声波在空气中的传播速率可被认为是定值，可以将它的速度固定性和反射性质来作为定位的研究基础。通过超声波发射器发射超声波信号，当超声波遇到障碍物反射回来后，超声波接收器就可以接收到反射回来的信号。在超声波发射器发射信号时，通过电路芯片开始计时，直到超声波接收器收到信号为止，这样就能计算出发射器到障碍物的位移，可对多个超声波传感器进行计算来实现物体的精确定位。

2.3 红外线定位技术

红外线定位是通过传感器来采集红外线信号，可根据红外线的能量及相位等信息进行采样，并根据特征值和一定算法来进行定位，它的定位算法和其他定位方法有相似之处，但不同于其他方法，它大多是采用光学传感器来接收信号。传感器收到信号时，电源开关接通并传输信号，这时红外信号就可以到达被测物体，并从采样器发出信号，脉冲信号就会启用计数器并输入计数脉冲。与此同时，脉冲信号驱动计数器，当红外信号从目标返回时会作用在光电探测器上，进而变成了电脉冲信号，然后通过放大器改变放大倍数，这个信号用于控制计数器进行计数，可通过记录的脉冲数量来计算目标距离[9]。红外线具有一定的衰减性，应用范围不宽，对环境的敏感性较强。

2.4 激光雷达定位技术

激光雷达定位将激光器和雷达结合在一起做成组合单元，集合了激光和雷达的共同优点，能够实现精确定位和测量功能，在高端定位领域应用广泛。二者结合后，通过惯性测量单元可以打造抗出干扰强、定位精度高的定位系统，尤其是在移动定位和一些特殊环境的定位中，其定位优点较为突出，可实现高精度定位。但由于激光器和雷达构成的定位系统成本很高，其应用受到了一定限制。

3 结语

小型室内机器人定位技术是机器人学的核心研究领域，今后的研究重点是提高定位精度以及实现机器人的自主定位，并对定位算法进行完善和改进，以保证小型室内机器人定位技术的稳定性、快速性和有效性。