機(jī)器人家族的成長奮斗史

  機(jī)器人可以追溯到上個世紀(jì)50年代，一位計(jì)算機(jī)科學(xué)家、數(shù)學(xué)家阿蘭·圖靈提出了圖靈測試，又稱為模仿游戲，這可以稱之為機(jī)器人最早的雛形。而真正意義上的機(jī)器人出現(xiàn)在1959年，美國人英格伯格和德沃爾制造出了世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人，這臺機(jī)器人外形像一個坦克的炮塔，基座上有一個可轉(zhuǎn)動的大機(jī)械臂，大臂上又伸出一個可以伸縮和轉(zhuǎn)動的小機(jī)械臂，能進(jìn)行一些簡單的操作，代替人做一些諸如抓放零件的工作。（摘自網(wǎng)絡(luò)）

  現(xiàn)如今的機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展成各種樣式，擁有多種功能，并且還在持續(xù)不斷變得更加強(qiáng)大更加智能。為了更好地記憶，小編用《機(jī)器人總動員》中可愛的“瓦力”（小編以為讀wa平聲，li輕聲最符合機(jī)器人語言）為機(jī)器人代名。

  這只瓦力要活動要玩耍，需要解決三個問題：它在哪兒？它想要去哪兒？它怎么去？

  要解決瓦力遇到的這三個問題，通常會采用導(dǎo)航的方式，這里小編想要介紹機(jī)器人家族成長奮斗過程中的幾種導(dǎo)航方式：二維碼導(dǎo)航、磁導(dǎo)航、激光導(dǎo)航和自然導(dǎo)航。

  有人說，最難以讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的是人最容易做到但很難用語言描述清楚的動作，小編頗為贊同。首先，工程師為瓦力畫出一幅專屬它活動區(qū)域的路徑規(guī)劃小地圖，通過機(jī)器人導(dǎo)航及算法，瓦力可以在它的地圖里有限定或自由地行走，這過程中，它還會對各種動態(tài)或靜態(tài)的障礙物進(jìn)行識別與判斷，以避免不必要的“沖突”。那具體這幾種方式是如何引導(dǎo)瓦力的，小編通過搜集各種資料和學(xué)習(xí)，整理過后以通俗的語言與大家分享。

  01、二維碼導(dǎo)航

  二維碼導(dǎo)航，顧名思義需要通過二維碼進(jìn)行導(dǎo)航，即在瓦力活動區(qū)域內(nèi)，按照限定的路徑，鋪設(shè)一路一定間隔的二維碼，配合單軸陀螺儀校正航向角度。瓦力本體上裝備可以讀取識別二維碼的攝像頭，在通過開發(fā)工程師的算法，它可以實(shí)現(xiàn)從一個二維碼到另一個（1,2，……,n），達(dá)到從起始到目的地的有限的活動。

  這種方式的優(yōu)勢是定位精確，小巧靈活，鋪設(shè)、改變路徑也較容易，便于控制通訊，對聲光亦無干擾。缺點(diǎn)是施工較大，路徑需要定期維護(hù)，如果場景稍復(fù)雜，則需要較為頻繁維護(hù)或更新二維碼，對陀螺儀的精度和使用壽命有嚴(yán)格要求，要求場地有一定的平整度。

  02、磁導(dǎo)航

  磁導(dǎo)航一般配合磁條、磁釘或者電纜使用，不管是磁條、磁釘還是電纜，都需要預(yù)先鋪設(shè)行進(jìn)路線、工位或者其它動作區(qū)域。

  瓦力在接收到活動指令后，按照預(yù)設(shè)指令，分析起點(diǎn)至終點(diǎn)的路徑，規(guī)劃出最佳行走路徑，沿著鋪設(shè)的磁條、磁釘或電纜行走至指定位置。

  這種導(dǎo)航方式的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)引原理簡單可靠，便于控制通訊，對聲光無干擾，投資成本較低。缺點(diǎn)是施工較大，需定期維護(hù)或更換受到污染和破損的磁條、磁釘或電纜，否則會極大影響機(jī)器人行走路徑，改變或擴(kuò)充路徑較麻煩，鋪設(shè)相對困難。

  03、激光導(dǎo)航

  激光導(dǎo)航又分為基于反射板導(dǎo)航和無反射板導(dǎo)航（自然導(dǎo)航）。

  基于反射板導(dǎo)航的原理相對簡單一些。在瓦力的活動路線周圍一定距離間隔內(nèi)布置反射板，瓦力身上配備激光掃描儀發(fā)射激光束，同時采集由反射板反射回來的激光束。根據(jù)反射回來的多個激光束數(shù)據(jù)（最少同時獲取三個反射板的數(shù)據(jù)），可以確定瓦力在當(dāng)前環(huán)境中的位置和航向，并配合運(yùn)動控制器及控制算法來實(shí)現(xiàn)它的自動行駛。

  基于反射板的激光導(dǎo)航優(yōu)點(diǎn)在于定位精確，無需鋪設(shè)地面輔助定位設(shè)施，行駛路徑可以靈活改變。缺點(diǎn)是激光導(dǎo)航控制復(fù)雜，技術(shù)成本較為昂貴，反射板以及激光傳感器之間不能有障礙物，反射板需定期維護(hù)。

  04、自然導(dǎo)航

  所謂自然導(dǎo)航、無反射板導(dǎo)航的大概都是一樣地基于SLAM的導(dǎo)航原理。SLAM（simultaneous localization and mapping）即同步定位與建圖，是指在未知的環(huán)境中，機(jī)器人通過自身所攜帶的傳感器（編碼器、IMU等）和外部傳感器（激光傳感器或者視覺傳感器）來對自身進(jìn)行定位，并在定位的基礎(chǔ)上利用外部傳感器獲取的環(huán)境進(jìn)行信息增量式的環(huán)境地圖構(gòu)建。

  自然導(dǎo)航是一種不需要對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行任何調(diào)整，也無需任何地面標(biāo)記的導(dǎo)航技術(shù)，是基于現(xiàn)有環(huán)境實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航。自然導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)路徑為，機(jī)器人在未知環(huán)境中某一位置出發(fā)，通過環(huán)境感知傳感器（激光掃描儀）持續(xù)掃描周圍場景，并判斷所在環(huán)境中各類標(biāo)識地物的自然特征，持續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成和融合分析，進(jìn)行自主定位的同時建立連續(xù)的環(huán)境地圖，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃、導(dǎo)航與避障功能，完成路徑行駛。

  自然導(dǎo)航也存在一些技術(shù)難點(diǎn)，SLAM算法較為復(fù)雜；從二維到三維再到多維融合的過程較難實(shí)現(xiàn)；多臺機(jī)器人的同時的聯(lián)合作業(yè)涉及的調(diào)度較為復(fù)雜。

  基于環(huán)境的自然導(dǎo)航方式是必然趨勢，因?yàn)槿斯ぴO(shè)置路標(biāo)需要較長的安裝時間和環(huán)境改造成本，而要解決這個問題，就需要在環(huán)境地圖未知的情境下，通過更豐富的智能感知系統(tǒng)，借助自然本來就具有的環(huán)境特征，實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航。這正是自然導(dǎo)航完勝二維碼和磁導(dǎo)航方式的地方。

  當(dāng)然，瓦力除了設(shè)置了路徑規(guī)劃、導(dǎo)航、避障功能外，還具備自主充電、各種功能性應(yīng)用，在這里，小編不多做鋪述。瓦力還有很多同門師兄、師弟、師姐、師妹，也不再多做擴(kuò)展。

  附幾種導(dǎo)航方式的原理及優(yōu)劣勢分析表：