智能机器人自主导航与路径规.ppt

智能机器人原理与实践
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第7章 智能机器人自主导航与路 径规划
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概述
导航，最初是指对航海的船舶抵达目的地进行的导引过程。这一术语和自主性相述。
直接表征法与识别拓扑位置所采用的方法原理上是一样的，差别仅在于该法试图从所获取的传感器数据中创建一个函数关系以便更精确地确定机器人的位姿。
2）特点
直接表征法数据存贮量大，环境噪声干扰严重，特征数据的提取与匹配困难，其应用受到一定限制。
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定位
定位是确定机器人在其作业环境中所处位置。机器人可以利用先验环境地图信息、位姿的当前估计以及传感器的观测值等输入信息，经过一定处理变换，获得更准确的当前位姿。
移动机器人定位方式有很多种，常用的可以采用里程计、摄像机、激光雷达、声纳、速度或加速度计等。
从方法上来分，移动机器人定位可分为相对定位和绝对定位两种。
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相对定位又称为局部位置跟踪，要求机器人在已知初始位置的条件下通过测量机器人相对于初始位置的距离和方向来确定当前位置，通常也称航迹推算法。
相对定位只适于短时短距离运动的位姿估计，长时间运动时必须应用其它的传感器配合相关的定位算法进行校正。
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1. 里程计法
里程计法是移动机器人定位技术中广泛采用的方法之一。在移动机器人的车轮上安装光电编码器，通过编码器记录的车轮转动圈数来计算机器人的位移和偏转角度。
里程计法定位过程中会产生两种误差。
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1）系统误差
系统误差在很长的时间内不会改变，和机器人导航的外界环境并没有关系，主要由下列因素引起：
（1）驱动轮直径不等；
（2）驱动轮实际直径的均值和名义直径不等；
（3）驱动轮轴心不重合；
（4）驱动轮间轮距长度不确定；
（5）有限的编码器测量精度；
（6）有限的编码器采样频率。
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2）非系统误差
非系统误差是在机器人和外界环境接触过程中，由于外界环境不可预料特性引起的。主要误差来源如下：
（1）轮子打滑；
（2）地面不平；
（3）地面有无法预料的物体（例如石块）；
（4）外力作用和内力作用；
（5）驱动轮和地板是面接触而不是点接触。
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对于机器人定位来说，非系统误差是异常严重的问题，因为它无法预测并导致严重的方向误差。
非系统误差包括方向误差和位置误差。考虑机器人的定位误差时，方向误差是主要的误差源。机器人导航过程中小的方向误差会导致严重的位置误差。
轮子打滑和地面不平都能导致严重的方向误差。在室内环境中，轮子打滑对机器人定位精度的影响要比地面不平对定位精度影响要大，因为轮子打滑发生的频率更高。
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3）误差补偿
机器人定位过程中，需要利用外界的传感器信息补偿误差。因此利用外界传感器定位机器人时，主要任务在于如何提取导航环境的特征并和环境地图进行匹配。在室内环境中，墙壁、走廊、拐角、门等特征被广泛地用于机器人的定位研究。
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2. 惯性导航定位法
惯性导航定位法是一种使用惯性导航传感器定位的方法。它通常用陀螺仪来测量机器人的角速度，用加速度计测量机器人的加速度。对测量结果进行一次和二次积分即可得到机器人偏移的角度和位移，进而得出机器人当前的位置和姿态。
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绝对定位

绝对定位又称为全局定位，要求机器人在未知初始位置的情况下确定自己的位置。主要采用导航信标、主动或被动标识、地图匹配、卫星导航技术或概率方法进行定位，定位精度较高。这几种方法中，信标或标识牌的建设和维护成本较高，地图匹配技术处理速度慢，GPS只能用于室外，目前精度还很差，绝对定位的位置计算方法包括三视角法、三视距法、模型匹配算法等。
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1. 主动灯塔法
主动灯塔是可以很可靠地被检测到的信号发射源，将该信号进行最少的处理就可以提供精确的定位信息。
2. 路标导航定位法
路标导航定位法是利用环境中的路标，给移动机器人提供位置信息。路标分为人工路标和自然路标。
3. 地图匹配法
基于地图的定位方法称为地图匹配法。机器人运用各种传感器(如超声波传感器、激光测距仪、视觉系统等)探测环境来创建它所处的局部环境地图，然后将此局部地图与存储在机器人中的己知的全局地图进行匹配。如果匹配成功，机器人就计算出自身在该环境中的位置。
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4. GPS定位
GPS是适用于室外移动机器人