中国服务机器人定位导航技术现状分析

根据易观发布的《中国服务机器人市场趋势预测2017-2019》显示，2018年中国服务机器人市场规模将达到122.9亿元人民币，同比增长27.2%。人工智能热度持续升温，各方面技术持续进化。作为人工智能技术的最佳载体，服务机器人也继续向医疗、物流、餐饮、客服等多个行业持续渗透。预计服务机器人市场在未来三年内仍将维持增长态势，专业级市场将成为服务机器人市场规模增长的主力。自主定位导航作为服务机器人最为核心的技术，其研究成果也获得了显著成效，但仍有一些关键理论及技术问题有待解决和完善，本文将就服务机器人定位导航技术现状及国内机器人定位导航领先品牌展开讨论。

服务机器人定位导航方式及相关技术
服务机器人定位导航方式
目前机器人常用的定位导航方式有激光定位导航、视觉定位导航、红外线定位导航、超声波定位导航、GPS全球定位导航等。
1.激光定位导航
激光雷达+SLAM技术相结合的激光定位导航主要是通过对目标物发射激光信号，再根据从物体反射回来的信号时间差来计算这段距离，然后再发射激光的角度来确定物体和发射器的角度，从而得出物体与发射器的相对位置。目前激光定位导航技术已成为机器人主流的定位导航方案。激光雷达具有指向性强的特点，使得导航的精度得到有效保障，能很好地适应室内环境。

2.视觉定位导航
视觉定位导航技术包含了摄像机（CCD图像传感器）、视频信号数字化设备、基于DSP的快速信号处理器、计算机及其外设等。而它的的工作原理简单说来就是对机器人周边的环境进行光学处理，先用摄像头进行图像信息采集，将采集的信息进行压缩，然后将它反馈到一个由神经网络和统计学方法构成的学习子系统，再由学习子系统将采集到的图像信息和机器人的实际位置联系起来，完成机器人的自主导航定位功能。但该技术图像处理量巨大，一般计算机无法完成运算，实时性比较差，且容易受光线条件限制，无法在黑暗环境中进行工作。

3.红外线定位导航
红外线定位导航技术是红外线IR标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。使用红外线导航定位技术的机器人需要在特定位置安装一个光学传感器，这个传感器能够接受服务机器人发射出的红外射线，采用这种定位技术的机器人能够测量的距离比较远而且在发射率比较低的情况下也能进行距离测量，且响应时间短行动速度较快。但受环境的干扰较大，对于近似黑体、透明的物体无法检测距离，且有其他遮挡物的时无法正常工作，需要每个房间、走廊安装接收天线，铺设导轨，造价比较高。

4.超声波定位导航
超声波定位导航技术是由超声波传感器发射探头发射出超声波，超声波在介质中遇到障碍物而返回接收装置。通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收时间差及传播速度，计算出传播距离S，就能得到障碍物到机器人的距离，即有公式： S=Tv/2 式中，T—超声波发射和接收的时间差；v—超声波在介质中传播的波速。超声波定位导航技术成本低廉并可以识别红外传感器识别不了的物体，比如玻璃、镜子、黑体等障碍物。但是这种定位导航技术容易受天气、周围环境等以及障碍物阴影，表面粗糙等外界环境的影响，适用范围较小导航精度差。

5.GPS全球定位导航
GPS全球定位导航技术一般采用伪距差分动态定位法，用基准接收机和动态接收机共同观测4颗GPS卫星，按照一定的算法即可求出某时某刻机器人的三维位置坐标。差分动态定位消除了星钟误差，对于在距离基准站1000km的用户，可以消除星钟误差和对流层引起的误差，因而可以显着提高动态定位精度。但在移动导航中，移动GPS接收机定位精度受到卫星信号状况和道路环境的影响，同时还受到时钟误差、传播误差、接收机噪声等诸多因素的影响，因此，单纯利用GPS导航存在定位精度比较低、可靠性不高的问题，所以在机器人的导航应用中通常还辅以磁罗盘、光码盘和GPS的数据进行导航。另外，GPS导航系统也不适应用在室内或者水下机器人的导航中以及对于位置精度要求较高的机器人系统。

机器人除以上定位导航技术外，红外线定位导航、iBeacon定位导航和灯塔定位导航等也是其比较常用的自主定位导航技术，这里就不一一介绍了。

服务机器人导航相关技术介绍
1.定位
定位和路径规划是机器人实现自主定位导航最基本的环节，定位是机器人在二维工作环境中相对于全局坐标的位置及其本身的姿态。定位技术有绝对定位和相对定位之分。

相对定位技术以测距法和惯性导航法为主，测距法常采用的传感器有光电编码器、里程计和航向陀螺仪，其优点是具有良好的短期精度、低廉的价格以及较高的采样速率。而惯性导航法采用陀螺仪和加速计实现定位，陀螺仪测量回转速度，加速度计测量加速度。相对定位技术的基本思路都是基于测量值的累积，因而无法避免时间漂移问题，随着路径的增长，任何小的误差经过累积都会无限增加。因此，相对定位不适于长距离和长时间的准确定位，通常将它们与绝对位置测量技术相结合，以获得更可靠的位置估计。

在绝对定位中，全球定位系统、路标定位和地图匹配定位是目前比较成熟的技术，全球定位系统就是大家所熟知的GPS，主要用于解决机器人定位时存在近距离定位精度低等问题，它主要是以空间卫星为基础的高精度导航与定位系统。路标定位分为人工路标定位和自然路标定位，其中人工路标定位最为成熟，人工路标定位是在机器人的工作环境里，人为的设置一些坐标已知的路标，如超声波发射器、激光发射板等，机器人通过对路标的探测来确定自身的位置。而地图匹配定位技术是基于已知地图的定位系统进行的，机器人通过自身的传感器探测周围环境，并利用感知到的局部信息进行局部地图构造，然后将这个局部地图与预先存储的完整地图进行比较，如两地图相互匹配，就能计算出机器人在工作环境中的位置与方向。地图匹配定位的两个关键技术是地图模型的建立和匹配算法。

2.路径规划
路径规划是指机器人按照某一性能指标搜索一条从起始状态到目标状态的最优或次最优的无碰路径。根据掌握环境信息的完整程度可分为环境信息完全已知的离线全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知的在线局部规划，环境部分已知和完全未知的局部路径规划已成为学术界研究的重点。

全局路径规划的主要方法有：可视图法(V2Graph)、栅格法(Grids)等。
可视图法将机器人、目标点和多边形障碍物的各顶点视为节点，把机器人、目标点和多边形障碍物的各顶点进行组合连接，连接的直线视为弧，要求机器人和障碍物各顶点之间、目标点和障碍物各顶点之间以及各障碍物顶点与顶点之间的连线均不能穿越障碍物，即直线是可视的。从而最优路径搜索问题就转化为在这些直线中搜索从起始点到目标点的最短距离问题。可视图法能求得最短路径，但缺乏灵活性，若障碍物过多，搜索时间会很长。

栅格法将机器人的工作环境分解成一系列具有二值信息的网格单元，每个矩形栅格有一个累积值，表示在此方位中存在障碍物的可信度，高的累积值表示存在障碍物的可能性高。传感器不断快速采样环境，存在障碍物的栅格将会不断被检测到，从而导致高的累积值。栅格大小的选择直接影响着控制算法的性能，栅格选得小，环境分辨率小，但抗干扰能力弱，环境信息存储量大，决策速度慢；栅格选得大，抗干扰能力强，环境信息存储量小，决策速度快，但分辨率下降，在密集障碍物环境中发现路径的能力减弱

局部路径规划的主要方法有：人工势场法、模糊逻辑算法、遗传算法等。
人工势场法是将机器人在未知环境中的运动视为在人工虚拟力场中的运动，即目标对被规划对象存在吸引力，而障碍物对其有排斥力，引力与斥力的合力作为机器人运动的加速力，从而计算机器人的位置和控制机器人的运动方向。势场法结构简单，便于低层的实时控制。

模糊逻辑算法是根据比较模糊的环境信息，靠经验来决策采取什么样的操作，该法克服了势场法易产生局部极小的问题，计算量不大，易做到边规划边跟踪，适用于时变未知环境下的路径规划，实时性较好。

遗传算法是一种基于自然选择和基因遗传学原理的搜索算法。遗传算法借鉴物种进化的思想，将欲求解的问题进行编码，每一个可能解均被表示成字符串的形式，初始化随机产生一个种群的侯选群，种群规模固定为N，用合理的适应度函数对种群进行性能评估， 并在此基础上进行繁殖、交叉和变异遗传操作。适应度函数类似于自然选择的某种力量，繁殖、交叉和变异这三个遗传算子则分别模拟了然界生物的繁衍、交配和基因突变。多数优化算法都是单点搜索算法，很容易陷入局部最优，而遗传算法却是一种多点搜索算法，因而更有可能搜索到全局最优解。

服务机器人定位导航技术现状分析
如今，服务机器人定位导航技术已取得了丰硕的研究成果，激光雷达+SLAM导航定位系统被誉为目前最为成熟的方案。随着传感器技术、控制技术、机械加工技术、电子技术、计算机技术等多门技术的发展，机器人自主定位导航技术也更加精进，其应用领域也不断扩大，应用的复杂程度也越来越高，在享受机器人定位导航技术成果的同时，也必须接受行业所带来新挑战，经总结主要如下：
1.视觉定位导航技术虽然已取得了很多研究成果，但由于现有计算设备的运算速度和存储容量的限制，其中的图像处理速度慢始终没有得到很好的解决，相信随着计算机技术的发展以及对静态和动态图像信息处理方法研究的深入，这一问题最终将得到解决。

2.导航系统的模块化问题。由于机器人的导航工作可以分解成诺干低层工作，因此机器人导航的通用接口模块是今后研究的一个重要课题。

3.网络技术现在已参透到人类社会的各个领域，网络机器人也就随之产生，基于网络的机器人控制就是利用互联网实现远程的机器人控制，其导航问题也是智能机器人导航技术的一个研究方向。

4.在机器人的很多应用场合，要求机器人具有体积小、自重轻、负载能力强等特点，因而需要开展导航系统的分布式结构研究。所谓分布式结构是指通过网络把机器人的决策级操作分解到机器人自身的计算机和远端的主计算机。机器人把采集到的视觉信号和传感信号按照一定的标准合成，再传送到远端的计算机上进行分析处理 ，然后发出控制信号以控制机器人执行相应操作。这样既可以提高系统的鲁棒性,也减小了机器人的体积和自重。

国内服务机器人定位导航技术领先品牌——思岚科技SLAMTEC
国内研发机器人定位导航技术的企业不在少数，从机器人定位导航技术在市场上的应用情况来看，目前思岚科技、云迹科技、速感科技、速腾聚创、爱啃萝卜等研发的定位导航技术深受机器人厂商的青睐，其中，思岚科技的市场占有率遥遥领先，思岚科技是国内机器人定位导航领域最早的布局者，自成立起就注重激光定位导航技术的积累与落地应用，时刻关注市场变化和需求，注重将技术与应用场景紧密联合，赋能机器人智能硬件及软件算法。目前，思岚科技提供的机器人自主定位导航解决方案已在家用、商用、轻工业等领域深入落地，业务辐射亚洲、欧洲、北美、澳洲等，遍布20多个国家和地区，服务超过2000家行业用户。随着AI落地进程的推进，思岚科技将会在原有的市场及技术积累优势上，进一步遵循商业市场的进化法则，逐步加入更为成熟的智能技术，在提升产品价值前提下，实现用户体验和成本控制的双赢。

目前，我国已在机器人定位导航技术上积累了丰富的实践经验和坚实的理论基础，将来更需提高机器人定位导航技术的定位精确性及信息融合等方面，进一步研发出更优质的定位导航技术，提高机器人定位导航的智能性，使机器人更好的造福于人类。