機械人導航的三個經典問題
說到機械人的自主導航，簡單來說可以歸結為由mit教授johnj.leonard和原雪梨大學教授hugh durrant-whyte提出的三個問題：
（1）where am i？
（2）where i am going？
（3）how should i go there？
第乙個問題是機械人的定位問題，即如何根據現在觀測到的和前面已知的資訊，判斷機械人在當前環境中的位置。第二個和第三個問題，實際上就是指定乙個目標，然後規劃一定的路徑來實現這個目標。對一般的移動機械人來說，這個目標是乙個點，即點到點導航。而對掃地機械人來說，其目標不是到達某一點，而是遍歷某乙個區域，以實現對房間的清掃。今天讓我們先來看一下第乙個問題，即掃地機械人的定位。
定位是包括掃地機械人在內的移動機械人自主導航中最基本的環節，也是完成任務必須解決的問題。說到定位，大家首先想到的可能是gps定位、基站定位等常用的室外定位。
與之不同，掃地機械人的定位都是室內定位，其要求定位精度高（最少在亞公尺級），實時性好，gps、基站定位等方法無法滿足。掃地機械人定位總體上可以分為相對定位和絕對定位，下面我們分別來看。
相對定位法
航位推算法（dead-reckoning method）是一種經典的相對定位法，也是掃地機械人目前最為廣泛使用的一種定位方法。它利用機械人裝備的各種感測器獲取機械人的運動動態資訊，通過遞推累計公式獲得機械人相對初試狀態的估計位置。航位推算較常使用的感測器一般有：碼盤，慣性感測器（如陀螺儀、加速度計）等。
碼盤法一般使用安裝在車輪上的光電碼盤記錄車輪的轉數，進而獲得機械人相對於上一取樣時刻位置和姿態的改變量，通過這些位移量的累積就可以估計機械人的位置。碼盤法優點是方法簡單、**低廉，但其容易受標定誤差、車輪打滑、顛簸等因素影響，誤差較大。但是由於碼盤**便宜，簡單易用，可用於機械人較短時間距離內的位置估計。
慣性感測器使用陀螺儀和加速度計得到機械人的角加速度和線加速度資訊，通過積分獲得機械人的位置資訊。一般情況下，使用慣性感測器的定位精度高於碼盤，但是其精度也要受陀螺儀漂移、標定誤差、敏感度等問題影響。無論是使用碼盤還是慣性感測器，它們都存在乙個共同的缺點：有累積誤差，隨著行駛時間、距離的不斷增加，誤差也不斷增大。因此相對定位法不適合於長時間、長距離的精確定位。
絕對定位法（基於信標的定位、環境地圖模型匹配定位、視覺定位）
絕對定位法是指機械人通過獲得外界一些位置等己知的參照資訊，通過計算自己與參照資訊之間的相互關係，進而解算出自己的位置。。絕對定位主要採用基於信標的定位、環境地圖模型匹配定位、視覺定位等方法。
基於信標的定位
信標定位原指在航海或航空中利用無線電基站發出的無線電波實現定位與導航的技術。對機械人室內定位而言是指，機械人通過各種感測器接收或觀測環境中已知位置的信標，經過計算得出機械人與信標的相對位置，再代入已知的信標位置座標，解出機械人的絕對座標來實現定位。用於定位的信標需滿足3個條件：
（1）信標的位置固定且信標的絕對座標已知；
（2）信標具有主被動特徵，易於辨識；
（3）信標位置便於從各方向觀測。
信標定位方式主要有三邊測量和三角測量。三邊測量是根據測量得到的機械人與信標的距離來確定移動機械人位置的方法。三邊測量定位系統至少需要3個已知位置的發射器（或接收器），而接收器（或發射器）安裝在移動機械人上。三角測量和三邊測量的思路大體一致，通過測量移動機械人與信標之間的角度來進行定位。
基於信標的定位系統依賴於一系列環境中已知特徵的信標，並需要在移動機械人上安裝感測器對信標進行觀測。用於信標觀測的感測器有很多種，比如超聲波感測器、雷射雷達、視覺感測器等。可以實時測量，沒有累進誤差，精度相對較高、穩定性好，提供快速、穩定、精確的絕對位置資訊，但安裝和維護信標花費很高。市場上已經出現較為成熟的基於信標定位的信標定位掃地機械人，如proscenic的模擬gps衛星三點定位技術，irobot的northstar導航定位技術，但由於其**較為昂貴，它們都用於相對高階的產品中。
基於視覺的定位
科學研究統計表明，人類從外界獲得資訊量約有75%來自視覺，視覺系統是機械人與人類感知環境最接近的探測方式。受益於模式識別、機器視覺的發展，基於視覺的機械人定位近年來成為研究熱點。
基於視覺的定位主要分為單目視覺、雙目視覺。
單目視覺無法直接得到目標的三維資訊，只能通過移動獲得環境中特徵點的深度資訊，適用於工作任務比較簡單且深度資訊要求不高的情況，如果利用目標物體的幾何形狀模型，在目標上取3個以上的特徵點也能夠獲取目標的位置等資訊，但定位精度不高。
雙目立體視覺三維測量是基於視差原理的，即左相機像面上的任意一點只要能在右相機像面，上找到對應的匹配點，就可以確定出該點的三維資訊，從而獲取其對應點的三維座標。目前，基於視覺定位的掃地機械人也已有產品推出，irobot和dyson分別於2023年及2023年推出了基於視覺定位的高階掃地機械人room ba 980和360 eye。
環境地圖模型匹配定位
是機械人通過自身的各種感測器探測周圍環境，利用感知到的區域性環境資訊進行區域性的地圖構造，並與其內部事先儲存的完整地圖進行匹配。通過匹配關係獲得自己在全域性環境中的位置，從而確定自身的位置。該方法由於有嚴格的條件限制，只適於一些結構相對簡單的環境。
環境地圖模型匹配定位
小結
自主定位是掃地機械人自主路徑規劃的基礎。經過多年的研究，雖然受成本、生產等因素的制約，航位推算法仍然是目前採用最廣泛的定位方法，但通過演算法優化，利用混合定位，可以減小其誤差帶來的影響。而且，隨著視覺定位等較高定位精度的定位方法的進一步成熟，其成本也將逐步下降，並將從高階市場逐漸推向大眾市場，到時候掃地機械人的定位精度，智慧型化水平都將有普遍的提公升。
移動機械人定位方法概述
引言 自主移動機械人導航過程需要回答三個問題 我在 我要去哪兒？和 我怎樣到達那裡？定位就是要回答第乙個問題，確切的，移動機械人定位就是確定機械人在其運動環境中的世界座標系的座標。根據機械人定位可分為相對定位和絕對定位。一 相對定位 移動機械人相對定位也叫作位資跟蹤，假定機械人初始位資，採用相鄰近時...
機械人定位誤差標定模型
完備的運動學模型應具備三點特徵 完整性 模型具備充足的引數來表達所有誤差因素 連續性 模型為幾何引數的連續函式 極小性 模型無冗餘引數存在 dh模型，在相鄰兩關節軸線平行時dh模型存在奇異性48，在相鄰連桿座標系中引入附加旋轉引數的mdh模型。在相鄰軸線垂直時出現奇異狀態。49,50 s模型51，利...
基於機器視覺的工業機械人定位系統
摘要 建立了乙個主動機器視覺定位系統,用於工業機械人對零件工位的精確定位。採用基於區域的匹配和形狀特徵識別相結合的影象處理方法,該方法經過閾值和形狀判據,識別出物體特徵。經實驗驗證,該方法能夠快速準確地得到物體的邊界和質心,進行資料識別和計算,再結合機械人運動學原理控制機械人實時運動以消除此誤差,滿...