中國服務機器人定位導航技術現狀分析 思嵐科技遙遙領先

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根據易觀發(fā)布的《中國服務機器人市場趨勢預測2017-2019》顯示，2018年中國服務機器人市場規(guī)模將達到122.9億元人民幣，同比增長27.2%。人工智能熱度持續(xù)升溫，各方面技術持續(xù)進化。作為人工智能技術的最佳載體，服務機器人也繼續(xù)向醫(yī)療、物流、餐飲、客服等多個行業(yè)持續(xù)滲透。預計服務機器人市場在未來三年內仍將維持增長態(tài)勢，專業(yè)級市場將成為服務機器人市場規(guī)模增長的主力。自主定位導航作為服務機器人最為核心的技術，其研究成果也獲得了顯著成效，但仍有一些關鍵理論及技術問題有待解決和完善，本文將就服務機器人定位導航技術現狀及國內機器人定位導航領先品牌展開討論。

服務機器人定位導航方式及相關技術

服務機器人定位導航方式

目前機器人常用的定位導航方式有激光定位導航、視覺定位導航、紅外線定位導航、超聲波定位導航、GPS全球定位導航等。

1.激光定位導航

激光雷達+SLAM技術相結合的激光定位導航主要是通過對目標物發(fā)射激光信號，再根據從物體反射回來的信號時間差來計算這段距離，然后再發(fā)射激光的角度來確定物體和發(fā)射器的角度，從而得出物體與發(fā)射器的相對位置。目前激光定位導航技術已成為機器人主流的定位導航方案。激光雷達具有指向性強的特點，使得導航的精度得到有效保障，能很好地適應室內環(huán)境。

2.視覺定位導航

視覺定位導航技術包含了攝像機(CCD圖像傳感器)、視頻信號數字化設備、基于DSP的快速信號處理器、計算機及其外設等。而它的的工作原理簡單說來就是對機器人周邊的環(huán)境進行光學處理，先用攝像頭進行圖像信息采集，將采集的信息進行壓縮，然后將它反饋到一個由神經網絡和統(tǒng)計學方法構成的學習子系統(tǒng)，再由學習子系統(tǒng)將采集到的圖像信息和機器人的實際位置聯系起來，完成機器人的自主導航定位功能。但該技術圖像處理量巨大，一般計算機無法完成運算，實時性比較差，且容易受光線條件限制，無法在黑暗環(huán)境中進行工作。

3.紅外線定位導航

紅外線定位導航技術是紅外線IR標識發(fā)射調制的紅外射線，通過安裝在室內的光學傳感器接收進行定位。使用紅外線導航定位技術的機器人需要在特定位置安裝一個光學傳感器，這個傳感器能夠接受服務機器人發(fā)射出的紅外射線，采用這種定位技術的機器人能夠測量的距離比較遠而且在發(fā)射率比較低的情況下也能進行距離測量，且響應時間短行動速度較快。但受環(huán)境的干擾較大，對于近似黑體、透明的物體無法檢測距離，且有其他遮擋物的時無法正常工作，需要每個房間、走廊安裝接收天線，鋪設導軌，造價比較高。

4.超聲波定位導航

超聲波定位導航技術是由超聲波傳感器發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波，超聲波在介質中遇到障礙物而返回接收裝置。通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號，根據超聲波發(fā)出及回波接收時間差及傳播速度，計算出傳播距離S，就能得到障礙物到機器人的距離，即有公式： S=Tv/2 式中，T—超聲波發(fā)射和接收的時間差;v—超聲波在介質中傳播的波速。超聲波定位導航技術成本低廉并可以識別紅外傳感器識別不了的物體，比如玻璃、鏡子、黑體等障礙物。但是這種定位導航技術容易受天氣、周圍環(huán)境等以及障礙物陰影，表面粗糙等外界環(huán)境的影響，適用范圍較小導航精度差。

5.GPS全球定位導航

GPS全球定位導航技術一般采用偽距差分動態(tài)定位法，用基準接收機和動態(tài)接收機共同觀測4顆GPS衛(wèi)星，按照一定的算法即可求出某時某刻機器人的三維位置坐標。差分動態(tài)定位消除了星鐘誤差，對于在距離基準站1000km的用戶，可以消除星鐘誤差和對流層引起的誤差，因而可以顯著提高動態(tài)定位精度。但在移動導航中，移動GPS接收機定位精度受到衛(wèi)星信號狀況和道路環(huán)境的影響，同時還受到時鐘誤差、傳播誤差、接收機噪聲等諸多因素的影響，因此，單純利用GPS導航存在定位精度比較低、可靠性不高的問題，所以在機器人的導航應用中通常還輔以磁羅盤、光碼盤和GPS的數據進行導航。另外，GPS導航系統(tǒng)也不適應用在室內或者水下機器人的導航中以及對于位置精度要求較高的機器人系統(tǒng)。

機器人除以上定位導航技術外，紅外線定位導航、iBeacon定位導航和燈塔定位導航等也是其比較常用的自主定位導航技術，這里就不一一介紹了。

服務機器人導航相關技術介紹

1.定位

定位和路徑規(guī)劃是機器人實現自主定位導航最基本的環(huán)節(jié)，定位是機器人在二維工作環(huán)境中相對于全局坐標的位置及其本身的姿態(tài)。定位技術有絕對定位和相對定位之分。

相對定位技術以測距法和慣性導航法為主，測距法常采用的傳感器有光電編碼器、里程計和航向陀螺儀，其優(yōu)點是具有良好的短期精度、低廉的價格以及較高的采樣速率。而慣性導航法采用陀螺儀和加速計實現定位，陀螺儀測量回轉速度，加速度計測量加速度。相對定位技術的基本思路都是基于測量值的累積，因而無法避免時間漂移問題，隨著路徑的增長，任何小的誤差經過累積都會無限增加。因此，相對定位不適于長距離和長時間的準確定位，通常將它們與絕對位置測量技術相結合，以獲得更可靠的位置估計。

在絕對定位中，全球定位系統(tǒng)、路標定位和地圖匹配定位是目前比較成熟的技術，全球定位系統(tǒng)就是大家所熟知的GPS，主要用于解決機器人定位時存在近距離定位精度低等問題，它主要是以空間衛(wèi)星為基礎的高精度導航與定位系統(tǒng)。路標定位分為人工路標定位和自然路標定位，其中人工路標定位最為成熟，人工路標定位是在機器人的工作環(huán)境里，人為的設置一些坐標已知的路標，如超聲波發(fā)射器、激光發(fā)射板等，機器人通過對路標的探測來確定自身的位置。而地圖匹配定位技術是基于已知地圖的定位系統(tǒng)進行的，機器人通過自身的傳感器探測周圍環(huán)境，并利用感知到的局部信息進行局部地圖構造，然后將這個局部地圖與預先存儲的完整地圖進行比較，如兩地圖相互匹配，就能計算出機器人在工作環(huán)境中的位置與方向。地圖匹配定位的兩個關鍵技術是地圖模型的建立和匹配算法。

2.路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃是指機器人按照某一性能指標搜索一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)的最優(yōu)或次最優(yōu)的無碰路徑。根據掌握環(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)劃已成為學術界研究的重點。

全局路徑規(guī)劃的主要方法有：可視圖法(V2Graph)、柵格法(Grids)等。

可視圖法將機器人、目標點和多邊形障礙物的各頂點視為節(jié)點，把機器人、目標點和多邊形障礙物的各頂點進行組合連接，連接的直線視為弧，要求機器人和障礙物各頂點之間、目標點和障礙物各頂點之間以及各障礙物頂點與頂點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)路徑搜索問題就轉化為在這些直線中搜索從起始點到目標點的最短距離問題。可視圖法能求得最短路徑，但缺乏靈活性，若障礙物過多，搜索時間會很長。

柵格法將機器人的工作環(huán)境分解成一系列具有二值信息的網格單元，每個矩形柵格有一個累積值，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不斷被檢測到，從而導致高的累積值。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)境信息存儲量大，決策速度慢;柵格選得大，抗干擾能力強，環(huán)境信息存儲量小，決策速度快，但分辨率下降，在密集障礙物環(huán)境中發(fā)現路徑的能力減弱

局部路徑規(guī)劃的主要方法有：人工勢場法、模糊邏輯算法、遺傳算法等。

人工勢場法是將機器人在未知環(huán)境中的運動視為在人工虛擬力場中的運動，即目標對被規(guī)劃對象存在吸引力，而障礙物對其有排斥力，引力與斥力的合力作為機器人運動的加速力，從而計算機器人的位置和控制機器人的運動方向。勢場法結構簡單，便于低層的實時控制。

模糊邏輯算法是根據比較模糊的環(huán)境信息，靠經驗來決策采取什么樣的操作，該法克服了勢場法易產生局部極小的問題，計算量不大，易做到邊規(guī)劃邊跟蹤，適用于時變未知環(huán)境下的路徑規(guī)劃，實時性較好。

遺傳算法是一種基于自然選擇和基因遺傳學原理的搜索算法。遺傳算法借鑒物種進化的思想，將欲求解的問題進行編碼，每一個可能解均被表示成字符串的形式，初始化隨機產生一個種群的侯選群，種群規(guī)模固定為N，用合理的適應度函數對種群進行性能評估， 并在此基礎上進行繁殖、交叉和變異遺傳操作。適應度函數類似于自然選擇的某種力量，繁殖、交叉和變異這三個遺傳算子則分別模 擬了然界生物的繁衍、交配和基因突變。多數優(yōu)化算法都是單點搜索算法，很容易陷入局部最優(yōu)，而遺傳算法卻是一種多點搜索算法，因而更有可能搜索到全局最優(yōu)解。

服務機器人定位導航技術現狀分析

如今，服務機器人定位導航技術已取得了豐碩的研究成果，激光雷達+SLAM導航定位系統(tǒng)被譽為目前最為成熟的方案。隨著傳感器技術、控制技術、機械加工技術、電子技術、計算機技術等多門技術的發(fā)展，機器人自主定位導航技術也更加精進，其應用領域也不斷擴大，應用的復雜程度也越來越高，在享受機器人定位導航技術成果的同時，也必須接受行業(yè)所帶來新挑戰(zhàn)，經總結主要如下：

1.視覺定位導航技術雖然已取得了很多研究成果，但由于現有計算設備的運算速度和存儲容量的限制，其中的圖像處理速度慢始終沒有得到很好的解決，相信隨著計算機技術的發(fā)展以及對靜態(tài)和動態(tài)圖像信息處理方法研究的深入，這一問題最終將得到解決。

2.導航系統(tǒng)的模塊化問題。由于機器人的導航工作可以分解成諾干低層工作，因此機器人導航的通用接口模塊是今后研究的一個重要課題。

3.網絡技術現在已參透到人類社會的各個領域，網絡機器人也就隨之產生，基于網絡的機器人控制就是利用互聯網實現遠程的機器人控制，其導航問題也是智能機器人導航技術的一個研究方向。

4.在機器人的很多應用場合，要求機器人具有體積小、自重輕、負載能力強等特點，因而需要開展導航系統(tǒng)的分布式結構研究。所謂分布式結構是指通過網絡把機器人的決策級操作分解到 機器人自身的計算機和遠端的主計算機。機器人把采集到的視覺信號和傳感信號按照一定的標準合成，再傳送到遠端的計算機上進行分析處理 ，然后發(fā)出控制信號以控制機器人執(zhí) 行相應操作。這樣既可以提高系統(tǒng)的魯棒性,也減小了機器人的體積和自重。

國內服務機器人定位導航領先品牌——思嵐科技SLAMTEC

國內研發(fā)機器人定位導航技術的企業(yè)不在少數，從機器人定位導航技術在市場上的應用情況來看，目前思嵐科技、云跡科技、速感科技、速騰聚創(chuàng)、愛啃蘿卜等研發(fā)的定位導航技術深受機器人廠商的青睞，其中，思嵐科技的市場占有率遙遙領先，思嵐科技是國內機器人定位導航領域最早的布局者，自成立起就注重激光定位導航技術的積累與落地應用，時刻關注市場變化和需求，注重將技術與應用場景緊密聯合，賦能機器人智能硬件及軟件算法。目前，思嵐科技提供的機器人自主定位導航解決方案已在家用、商用、輕工業(yè)等領域深入落地，業(yè)務輻射亞洲、歐洲、北美、澳洲等，遍布20多個國家和地區(qū)，服務超過2000家行業(yè)用戶。隨著AI落地進程的推進，思嵐科技將會在原有的市場及技術積累優(yōu)勢上，進一步遵循商業(yè)市場的進化法則，逐步加入更為成熟的智能技術，在提升產品價值前提下，實現用戶體驗和成本控制的雙贏。

目前，我國已在機器人定位導航技術上積累了豐富的實踐經驗和堅實的理論基礎，將來更需提高機器人定位導航技術的定位精確性及信息融合等方面，進一步研發(fā)出更優(yōu)質的定位導航技術，提高機器人定位導航的智能性，使機器人更好的造福于人類。

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