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机器人导航常用技术

随着人口红利的逐渐消失,机器人代替人工完成简单、重复性工作已是未来发展的必然趋势。对于一些在商用场景中使用的服务机器人来说,不仅需要涉及到语音识别、人机交互等技术,机器人导航技术也成为其中的关键。

实现机器人导航的基本环节

1.感知

机器人实现对周围环境的感知通常会涉及到激光雷达、深度摄像头、超声波等传感器。相比于其他传感器,激光雷达传感器具有测量精度高、响应速度快、抗干扰力强等优点,因此被认为是实现机器人感知的核心传感器。目前激光雷达传感器有单线及多线之分,但应用于机器人身上主要以单线激光雷达为主。激光雷达好比机器人的“眼睛”,可对周围物体实现全方位测距扫描,以确定物体的位置、大小、外部形状等,并生成周围环境的轮廓信息图。机器人导航技术-感知

2.定位建图

机器人想要到达某个目的地,需要和人类绘制地图一样,描述环境、认识环境的过程主要就是依靠地图。它利用环境地图来描述当前环境信息,并随着使用的算法与传感器差异的不同,所采用的地图描述形式也不同,在机器人学中,地图的表示方法主要包括了格栅地图、特征点地图、直接表征法以及拓扑地图这四种。栅格地图是目前机器人应用最为广泛的地图储存方式,它看起来和人们所认知的地图区别不大,本质上就是一张位图图片,但其中每个“像素”则表示了实际环境中存在障碍物的概率分布。机器人导航技术-定位建图

3.路径规划

路径规划是移动机器人导航的基本环节,指的是机器人在有障碍物的工作环境中,如何找到一条从起点到终点适当的运动路径,使机器人在运动过程中能安全、无碰撞地绕过所有障碍物。根据对环境信息的掌握程度不同,路径规划可分为全局路径规划和局部路径规划。

全局路径规划是在已知的环境中规划的行走路线,当环境发生变化时,该方法就无能为力了。而局部路径规划则是在环境信息完全未知或有部分可知,侧重于考虑机器人当前的局部环境信息,让机器人具有良好的避障能力。

全局路径规划和局部路径规划并没有本质上的区别,很多适用于全局路径规划的方法经过改进也可以用于局部路径规划,而适用于局部路径规划的方法同样经过改进后也可适用于全局路径规划。两者协同工作,机器人才能更可靠的规划行走路径。机器人导航技术-路径规划

4.避障

避障是保证机器人运行安全的关键,在感知中我们提到过激光雷达、超声波、深度摄像头、防跌落等传感器。

机器人导航技术-避障

虽然激光雷达被认为是其中的核心,但在实现机器人避障中,由于不同传感器各有优劣,多传感器的相互融合是目前实现机器人避障的常用方案。

机器人导航常用技术

相较于铺设导引线、贴二维码等导航方式,激光SLAM导航无需放置标示性物体,也不会受到地面二维码的限定,能够让机器人随意在室内环境中行走,因此被认为是目前最受欢迎的导航方式。

激光SLAM脱胎于早期的基于测距的定位方法。激光雷达的出现和普及使得测量更快更准,信息更丰富。激光雷达采集到的物体信息呈现出一系列分散的、具有准确角度和距离信息的点,被称为点云。通常,激光SLAM系统通过对不同时刻两片点云的匹配与比对,计算激光雷达相对运动的距离和姿态的改变,也就完成了对机器人自身的定位。

激光雷达距离测量比较准确,误差模型简单,在强光直射以外的环境中运行稳定,点云的处理也比较容易。同时,点云信息本身包含直接的几何关系,使得机器人的路径规划和导航变得直观。激光SLAM理论研究也相对成熟,落地产品更丰富。

作为业内最早将激光SLAM应用于服务机器人的企业,思岚科技在该领域已有成熟解决方案。思岚科技SLAM Cube是实现机器人定位导航的核心产品之一,它可帮助企业及行业用户实现智能移动机器人积木式的快捷搭建,满足机器人本体厂家、方案集成商以及行业客户进行快速高效的机器人产品研发集成。

机器人导航技术-SLAM Cube定位导航方案

SLAM Cube采用模块化设计,提供可适用于多种室内外场景的商用机器人自主定位导航能力,且在此基础上集成电源控制管理,传感器信号采集管理、电机控制管理、自动/应急充电管理等一体化功能。通过适配多种类型传感器、电机、电池等,帮助客户用积木化的方式便捷搭建专属的机器人底盘系统,满足客制化需求。

SLAM Cube模块化机器人定位导航“魔方”主要由主控盒(SLAM Cube控制核心)、电源管理盒、工控机、传感器采集盒、自动充电通信板五大模块组成。

1.主控盒(SLAM Cube控制核心)

作为系统控制核心,主控盒主要用于接收雷达及各类传感器数据,提供 及路径规划功能并输出电机运动控制,支持IPC扩展。

2.电源管理盒

作为系统电源管理核心,接受电池输入,为主控盒、用户以及电机提供供电,并同时提供过流保护,支持电池自动与应急充电回路。

3.工控机

控制机器人运动的核心中枢,起到数据处理作用,充当了机器人“大脑”的角色。

4.传感器采集盒

提供传感器数据采集并上报主控盒。

5.自动充电通信板

通过红外通信进行对桩,为底盘提供自动充电功能。

实际操作过程中,机器人厂家仅需对以上模块进行组装拼接,只需这简单几步便可成功组件智能移动机器人:其他外部硬件准备→SLAM Cube各组件之间连线→整机上电→系统运行→成功组件智能移动机器人。

对于想快速占领市场先机的服务机器人企业来说,与其投入大量精力自主机器人导航技术,不少企业更愿意选择目前市面上已有的成熟导航方案,而本身只专注于开发机器人上层结构,这样可节省大量研发成本。

关键字:机器人导航技术,机器人导航,机器人

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