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自主定位導(dǎo)航術(shù) 機(jī)器人行動(dòng)自如全靠它

當(dāng)前，物流智能搬運(yùn)機(jī)器人、掃地機(jī)器人等已在一些城市和家庭中實(shí)際應(yīng)用，無(wú)人機(jī)、無(wú)人車等也在迅速推廣中，這些機(jī)器人之所以能快速進(jìn)入應(yīng)用階段，與自主定位導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展密不可分。

日前，艾瑞咨詢旗下艾瑞網(wǎng)公布了他們總結(jié)的“2018年全球AI突破性技術(shù)TOP10”，基于多傳感器跨界融合的機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)位列其中。機(jī)器人自主定位導(dǎo)航技術(shù)是什么?目前有幾種可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主定位導(dǎo)航的技術(shù)手段?實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)及應(yīng)用的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)是什么?

基礎(chǔ)：視覺(jué)和雷達(dá)是最主要的傳感器

可以說(shuō)，自主定位導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成為機(jī)器人產(chǎn)品的核心和焦點(diǎn)之一。中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)專家委員、清華大學(xué)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院杜明芳博士告訴科技日?qǐng)?bào)記者，自主導(dǎo)航，從大的方面來(lái)講包括局域?qū)Ш胶腿謱?dǎo)航兩部分。局域?qū)Ш绞侵竿ㄟ^(guò)視覺(jué)、雷達(dá)、超聲波等傳感器實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前環(huán)境信息，提取數(shù)據(jù)融合后的特征，經(jīng)智能算法處理后實(shí)現(xiàn)當(dāng)前可通行區(qū)域的判斷和多目標(biāo)跟蹤;全局導(dǎo)航主要指利用GPS提供的全局導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，并實(shí)現(xiàn)全電子地圖范圍內(nèi)的路徑導(dǎo)航。

“目前，視覺(jué)和雷達(dá)是局部自主導(dǎo)航時(shí)采用的兩種最主要的傳感器。”杜明芳解釋，作為被動(dòng)式傳感器，視覺(jué)傳感器的優(yōu)點(diǎn)顯著，比如獲取信息豐富、隱蔽性好、體積小，不會(huì)因干擾帶來(lái)“環(huán)境污染”，相對(duì)雷達(dá)來(lái)說(shuō)成本低。而為了實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，多種傳感器相互協(xié)作來(lái)識(shí)別多種環(huán)境信息較為普遍，如識(shí)別道路邊界、地形特征、障礙、引導(dǎo)者等。如此一來(lái)，機(jī)器人才能通過(guò)環(huán)境感知來(lái)確定前進(jìn)方向中的可達(dá)區(qū)域或不可達(dá)區(qū)域，確認(rèn)自己在環(huán)境中的相對(duì)位置，以及對(duì)動(dòng)態(tài)障礙物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)判，為局部路徑規(guī)劃等提供依據(jù)。

杜明芳告訴記者，從當(dāng)前發(fā)展情況看，多傳感器信息融合技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到自主導(dǎo)航系統(tǒng)中，所起的作用也關(guān)系著機(jī)器人的智能化水平。“該導(dǎo)航技術(shù)的核心在于可以對(duì)多傳感器收集到的信息進(jìn)行有效處理和融合，提高機(jī)器人對(duì)不確定信息的‘抵抗’能力，確保有更多可靠的信息被利用，有助于更為直觀地判斷出周圍的環(huán)境。”他說(shuō)。

視覺(jué)導(dǎo)航已成功應(yīng)用于低空飛行器導(dǎo)航、無(wú)人機(jī)導(dǎo)航及火星探測(cè)器著陸過(guò)程的導(dǎo)航中。不過(guò)，杜明芳也表示，視覺(jué)傳感器還存在提供的信息不直接，計(jì)算和存儲(chǔ)需求量大，網(wǎng)絡(luò)傳播負(fù)擔(dān)大等問(wèn)題。利用多傳感器信息融合可以消除機(jī)器人定位導(dǎo)航中的不確定性，提高精度，但是過(guò)度融合也會(huì)帶來(lái)計(jì)算量的成倍增加。

如何解決這些問(wèn)題?杜明芳認(rèn)為，選擇恰當(dāng)?shù)娜诤纤惴ㄊ顷P(guān)鍵。當(dāng)前，“將智能計(jì)算理論、概率論等基礎(chǔ)理論應(yīng)用到機(jī)器人多傳感器融合領(lǐng)域的做法越來(lái)越多。”他說(shuō)。

資料圖：2018世界機(jī)器人大會(huì)上的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)。 

方式：多種技術(shù)組合實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主定位導(dǎo)航有哪些方式?其實(shí)，汽車自動(dòng)駕駛和機(jī)器人用的部分自主定位導(dǎo)航技術(shù)是一致的。千尋位置CEO陳金培告訴記者，千尋使用激光雷達(dá)定位導(dǎo)航和傳感器組合技術(shù)，使定位精度達(dá)到1米左右，并可在3秒完成初始定位。

所謂激光雷達(dá)導(dǎo)航，是在行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板，機(jī)器人通過(guò)激光掃描器發(fā)射激光束，同時(shí)采集由反射板反射的激光束，來(lái)確定其當(dāng)前的位置和航向，并通過(guò)連續(xù)的三角幾何運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引。激光雷達(dá)除了具有測(cè)距和定位功能外，還有識(shí)別和避障等作用。

杜明芳說(shuō)，激光雷達(dá)屬于主動(dòng)式傳感器，其提供的感知數(shù)據(jù)相對(duì)視覺(jué)信息要簡(jiǎn)單直接得多，處理時(shí)計(jì)算量小;但缺點(diǎn)是造價(jià)高、隱蔽性差，對(duì)環(huán)境有“污染”，信息不夠豐富等。

據(jù)了解，蘇寧的機(jī)器人和無(wú)人車自主導(dǎo)航采用的是另一種“多線激光雷達(dá)+GPS+慣導(dǎo)等多傳感器融合定位方式”。具體來(lái)說(shuō)，首先是激光雷達(dá)進(jìn)行環(huán)境建圖，獲得先驗(yàn)點(diǎn)云地圖，通過(guò)GPS和慣性導(dǎo)航初步確定機(jī)器所在的全球位置，再通過(guò)激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)與先驗(yàn)點(diǎn)云地圖匹配，獲得更為精準(zhǔn)的全球位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和自主導(dǎo)航。在感知層面，激光雷達(dá)融合視覺(jué)，實(shí)時(shí)識(shí)別周圍的行人、車輛和障礙物，為規(guī)劃出最優(yōu)繞行路徑提供依據(jù)等。

此外還有慣性導(dǎo)航，這是指在機(jī)器人或無(wú)人車上安裝陀螺儀，在行駛區(qū)域的地面上安裝定位塊，通過(guò)對(duì)陀螺儀偏差信號(hào)(角速率)的計(jì)算及地面定位塊信號(hào)的采集來(lái)確定自身的位置和航向，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引。蘇寧有關(guān)負(fù)責(zé)人在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，慣性導(dǎo)航技術(shù)定位精準(zhǔn)、地面處理工作量小、路徑靈活性強(qiáng)。但制造成本較高，導(dǎo)引的精度和可靠性與陀螺儀的制造精度及其后續(xù)信號(hào)處理密切相關(guān)。總之，一種技術(shù)手段不能解決所有問(wèn)題，當(dāng)前機(jī)器人自主導(dǎo)航普遍采用了多種技術(shù)組合的模式，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

資料圖：2018世界機(jī)器人大會(huì)上，小朋友與機(jī)器人互動(dòng)。 

挑戰(zhàn)：功耗、成本和工業(yè)化問(wèn)題待解決

目前，自主定位導(dǎo)航機(jī)器人的應(yīng)用主要分為兩類，一是家庭使用的掃地機(jī)器人以及家庭看護(hù)、陪伴型機(jī)器人。思嵐科技CEO陳士凱說(shuō)，這類應(yīng)用場(chǎng)景可概括為“零配置”，從消費(fèi)者使用來(lái)說(shuō)，要做到盡可能的極簡(jiǎn)，買回來(lái)就能用。另一類則是在商業(yè)場(chǎng)景下，需要一個(gè)預(yù)先配置過(guò)程，對(duì)于這種配置要有高可靠性和可擴(kuò)展性。

陳士凱說(shuō)，個(gè)人家庭場(chǎng)景導(dǎo)航定位系統(tǒng)要解決的是功耗、體積、成本的挑戰(zhàn)。目前無(wú)論即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM)算法還是路徑規(guī)劃系統(tǒng)，復(fù)雜度都比較高。“一個(gè)掃地機(jī)器人，電池本身容量可能只有20多瓦時(shí)規(guī)模。如果讓它裝上一個(gè)筆記本電腦來(lái)跑SLAM算法，可能一個(gè)小時(shí)不到就沒(méi)電了，這是完全不被接受的。”

此外，新機(jī)器人第一次開(kāi)機(jī)時(shí)，對(duì)家里環(huán)境構(gòu)造是完全不知道的，需要把地圖預(yù)先繪制出來(lái)。“這就有個(gè)矛盾點(diǎn)”，陳士凱說(shuō)，人們希望機(jī)器人在環(huán)境位置時(shí)馬上開(kāi)展工作，但主流算法還需要對(duì)環(huán)境有一個(gè)預(yù)先構(gòu)建或探索，在這方面，“就需要業(yè)界做一些工作了”。陳士凱舉例道，比如可以給一個(gè)初級(jí)路徑規(guī)劃，隨著機(jī)器人使用和探索，路徑再逐步細(xì)化完善等。

在商用或?qū)I(yè)場(chǎng)景下，自主導(dǎo)航系統(tǒng)的困難在于，商用場(chǎng)景下地圖面積都很大，甚至?xí)^(guò)上萬(wàn)平方米。“目前，SLAM系統(tǒng)還是比較消耗內(nèi)存和運(yùn)算量的。怎么讓它在如此大的場(chǎng)景下都可以工作，對(duì)導(dǎo)航定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。”陳士凱說(shuō)，解決之道是配備強(qiáng)大的硬件，同時(shí)對(duì)軟件和算法進(jìn)行更好優(yōu)化。“目前一個(gè)合格的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，不應(yīng)僅僅有激光雷達(dá)，還應(yīng)有視覺(jué)傳感器和超聲波等，并在導(dǎo)航定位算法上也要進(jìn)行相應(yīng)的融合。這個(gè)融合，在學(xué)術(shù)上或算法上也許并不是很難，但考慮到工業(yè)化的問(wèn)題，比如很多超聲波傳感器是非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，深度視覺(jué)傳感器每家規(guī)格不一樣安裝位置也不同，怎么以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化接口方便客戶使用，存在挑戰(zhàn)。”