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1、移动机器人的导航2009年12月16日主要内容1、移动机器人导航的基本知识2、移动机器人导航方式3、定位技术4、路径规划5、智能导航算法6、自主飞行机器人导航系统设计7、产品应用8、发展趋势移动机器人导航移动机器人的研究起源：20世纪60年代末期。导航的概念：移动机器人通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标的自主运动导航主要解决的问题（1）我（机器人）现在何处？（2）我要往何处走？（3）我要如何到达该处？导航系统中的定位及其跟踪问题路径规划问题研究方向我们又可以分成以下几个研究方向：完全已知环境：机器人知道所在工作环境的所有信息，包括目标点的位置，方向，障碍
2、物的位置和方向。部分已知环境：机器人知道所在工作环境中的部分信息，比如知道一部分障碍物的位置和方向，有另外一部分环境是不知道的。完全未知环境：机器人完全不知道所在工作环境的信息，只知道目标点的方向和位置，其它障碍物的信息是一点都不知道。定位、建图、路径规划(1)通过一定的检测手段获取移动机器人在空间中的位置、方向以及所处环境的信息。(2)用一定的算法对所获信息进行处理并建立环境模型。(3)寻找一条最优或近似最优的无碰路径，实现移动机器人安全移动的路径规划。移动机器人导航方式移动机器人的导航方式很多,有惯性导航、磁导航、视觉导航、基于传感器数据导航、卫星导航等。这些导航方式分别适用
3、于各种不同的环境,包括室内和室外环境,结构化环境与非结构化环境。1)惯性导航 惯性导航是一种最基本的导航方式。它利用机器人装配的光电编码器和陀螺仪,计算机器人航程,从而推知机器人当前的位置和下一步目的地。2)磁导航（路径地下埋电缆，流过不同频率的电流，来作为路径信息）磁导航是目前自动导引车(automatedguidedvehicle,AGV)的主要导航方式。AGV是移动机器人中的一种,同时,AGV也是自动化物流运输系统柔性生产组织系统的核心关键设备。这种导航方式要在AGV运行路径上,开出深度为10mm左右,宽5mm左右的沟槽,在其中埋入导线。在导线上通以5～30kHz的交变电流
4、,在导线周围产生磁场。AGV上左右对称安装了2只磁传感器用于检测磁场强度,引导车辆沿所埋设的路径行驶。AGV缺乏柔性,在原有路径上放置一个障碍物,该AGV就无法完成简单的避障动作。3)视觉导航 通常,机器人利用装配的摄像机拍摄周围环境的局部图像,然后,通过图像处理技术(如,特征识别、距离估计等)进行机器人定位和规划下一步的动作。有研究人员利用Fourier变换处理机器人全方位图像,并将关键位置的图像经Fourier变换所得的数据存储起来作为机器人定位的参考点。以后机器人所拍摄的图像经变换后与之相对照,从而得知机器人当前位置。也有研究人员利用视觉技术解决计算机器人运动过程中的避碰点
5、,从而实现机器人局部路径规划。4)基于传感器数据导航 一般机器人都安装了一些非视觉传感器,如,超声传感器、红外传感器、接触传感器等。利用这些传感器亦可以实现机器人导航。有研究人员将超声数据与图像数据结合,通过事先训练好的神经网络预测障碍物的可能位置,从而使得机器人能够在动态非结构化环境中实现自主导航。有研究人员将传感器数据作为模糊推理系统的输入,模糊系统将产生较优(针对某事先设定的代价函数而言)的机器人行为动作。5）光反射导航定位典型的光反射导航定位方法主要是利用激光或红外传感器来测距。激光和红外都是利用光反射技术来进行导航定位的。激光全局定位系统一般由激光器旋转机构、反射镜、光
6、电接收装置和数据采集与传输装置等部分组成。工作时，激光经过旋转镜面机构向外发射，当扫描到由后向反射器构成的合作路标时，反射光经光电接收器件处理作为检测信号，启动数据采集程序读取旋转机构的码盘数据（目标的测量角度值），然后通过通讯传递到上位机进行数据处理，根据已知路标的位置和检测到的信息，就可以计算出传感器当前在路标坐标系下的位置和方向，从而达到进一步导航定位的目的。6)卫星导航GPS全球定位系统是以距离作为基本的观测量,通过对4颗GPS卫星同时进行伪距离测量,计算出用户(接收机)的位置。机器人通过安装卫星信号接收装置,可以实现自身定位,无论其在室内还是在室外。GPS概述1GPS即
7、全球定位系统（GlobalPositioningSystem）。简单地说，这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。GPS概述2全球定位系统(GPS)是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分—GPS星座；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分—GPS信号接收
