小型室内机器人定位技术的研究与应用

现阶段，随着科技的进步，机器人技术不断地发展，机器人已经代替了人力劳动力，商业资金的注入，促进了机器人领域的发展。目前，移动机器人在实际应用上较为广泛，定位技术就是核心的一项技术。移动机器人定位是在所处的环境中，可以实现导航能力。机器人定位技术的发展，是传感器的发展，随着传感器在应用上存在差异，同时定位也会不一致。在小型室内移动机器人中，智能传感器和新型传感器的应用趋于自动化、智能化，在定位上越加精准。

现阶段，随着机器人技术和人工智能的发展，在医疗，航天，工业等领域机器人已得到了广泛的应用。移动机器人要按照所处的环境以及位置采取精确地定位，机器人的定位精度是判断其完成任务的一项标准，是否高效、顺利地完成任务。

移动机器人定位系统，该系统主要是在室内环境情况下进行的运行，这项系统在定位的误差上小于12cm，其中关联系统是定位精度。定位系统的构成主要是ZigBee网络，其中测试的平台以及利用计算等方式提高其定位上的精度，精度可以达到0.63m，该系统可以满足定位上的需求。与此同时，采用超声波针对机器人系统采取定位，这种系统中还应用了无线定位电子标签技术，应用超声波可以将距离实现测量，同时降低定位上的不精准，在同一个环境下，就能采用射频识别定位系统进行定位，另外，还可以利用无线电子标签和机器人中的传感器实现互联互通，通过计算等方式获得定位，在定位的精度上很高。有的专家还提出了地图匹配的方法，应用可信度算法，可以将移动机器人的全球定位系统的定位精度大大提高，利用GPS数据可以将经纬度获取，与此同时还构建了电子地图，然后利用电子地图将机器人的运行轨迹从而确定。该定位采用了全球定位系统中的有效信息，通过这些信息更好地服务于系统，该定位的精度主要是依靠全球定位系统中所提供的数据。

目前，随着小型室内移动机器人技术的不断发展，作为研究人员要按照方法和技术的不同，将定位精度采取对比，每种方式和方法都有各自的优势和缺点。要按照室内机器人定位技术应用不同的传感器，以下是室内机器人定位技术的几个核心技术。

GPS定位技术是目前而言应用为广泛的应用技术，在导航、测绘等各个领域都广受青睐，也有人将其作为室内机器人的定位技术应用，但很快就发现它具有致命的缺陷：GPS的定位原理是利用太空当中的卫星通过电磁波向地面接收站发送所处位置并附上时间戳，地面接收到信号后可利用信号传输时间来得出卫星与接收站的距离，采用三个卫星传回的数据就能够确定接收点位置，但它所使用的信号会在传播途中受损，当达到地面时，信号已经较弱，很难再穿透建筑物，因此用于室内机器人时定位精度会大打折扣。

视觉定位是利用视觉传感器针对信息实现的采集以及获取。现阶段，利用高质量数码照相机就能获取高清的图像，可以信息的来源，分析和处理采集的图像。视觉定位需要在内部和外部实现自主的定位，外部固定安装图片要应用传感器，移动物体上要将图像敏感元件进行安装，才能让信息实现传递，要利用图像处理和算法进行定位。自主定位也就是在载体上安装照相机，针对图像采取收集和定位。视觉定位在应用上较为简便，同时精度比较高，其中误差在几毫米。但是，视觉定位需要有资源库和强大的处理器。

超声波定位中传感器是按照超声波的传输特性和原理相融合的，其中将超声波信息的电参量实现了转换，利用传感器发射和接受超声波信号。因为超声波信息要有很好的反射性质，并且声波信号在传播过程中媒介的变化会很小，超声波在空气的传播速度都是定值，然后按照速度和反射性质进行定位。另外，要利用超声波发生器将信号发出，如果超声波遭遇到障碍物就会立即反射，此时超声波接收器就能接收到信号，对于物体的定位需要应用多个超声传感器。超声定位系统的定位精度较高，误差能够控制在5cm以内，并且响应速度快，可达0.1s，定位范围则是某一篇场地内部，能够契合室内定位的要求。

红外线定位是利用传感器针对红外线信号采取采集，然后按照红外线的相位以及能量完成采样，后要按照特征进行统一的计算完成定位，其中定位算法和定位方法基本一致，都是应用光学传感器将信号实现接收。传感器收到信号之后，电源就会自动开关进行信号的传输，此时红外信号就会测量到物体，同时采样器就会有信号发出，对于脉冲信号可以采用计数器进行计算。与此同时，脉冲信号计数器，如果红外信号会作用到光电探测器上，就会形成电脉冲信号，信号可以将计数器进行计算和控制，后将脉冲的数量确定出目标激励。红外线定位技术只能应用于直线视距内的定位，且当房间中有灯光或者荧光时，很容易受到干扰，另外，红外线由于具有一定的衰减性，在应用范围上不是很广，一般不能单独作为定位技术在室内机器人当中使用，但是它对于环境的敏感性是非常强的，可结合其他技术共同使用。

激光雷达定位技术可以把雷达和激光器综合起来构成组合体，包含了雷达和激光的各自特点，可以更好地完成精准定位和测量工作，已经普遍运用于高端定位行业。这两者在集合之后，利用惯性测量可以建立起一个具有高精准度定位和高抗干扰性的定位系统，特别是针对个别特定环境和移动环境下的定位过程中，定位的优势就显得格外明显，可以更有效地完成精准定位。但因为雷达和激光器所组成的系统需要投入更多的资金，因此在运用过程中还是有所约束。

传统室内机器人的定位系统采用摄像头和激光扫描仪等进行实时定位，并将所获得的数据和图像传回处理系统，建立局部室内地图，完成定位工作。这种定位模式具有诸多缺陷，例如所需计算的数据量十分庞大，反应速度不够灵敏，很难达到实时定位的效果，并且设备成本较高，承载摄像头、扫描仪的机器人体积相对而言也较大，会使得室内空间看起来有些逼仄。采用超宽带定位系统，使用控制器来对标签进行控制，使用三边定位法就能够确定机器人所处位置，并使用串口将传输回来的位置参数发送给控制器，再由主控制器据此对机器人路径作出合理规划，使其规避障碍物，顺利在室内移动和动作，并能够通过无线网络将机器人的位置信息、行为、路径规划、速度等参数上传到用户终端，例如手机和电脑，使用户能够远距离对机器人进行操控和监管。实际经验表明，采用超宽带定位系统能够达到较高的定位精度，将误差控制在10cm以内，甚至更短。

超宽带技术，简称UWB，乃是近些年来兴起的无线载波通信技术，与传统的载波通信技术相比，它采用的并非正弦载波，而是纳秒级的非正弦载波，其频谱很宽，能够携带的信息量十分庞大，虽然为无线通信技术，但传输速率能远远高出有线通信，传输效率更高，定位精度也较高。并且它的系统并不复杂，相比起其他定位技术而言，它要简单得多，更容易实现全数字化，只需用数字方式产生脉冲并对其进行调制，所有所需电路都能够由一个小型芯片来承载，成本很低；发射信号时的功率谱密度不高，信号在传播途中不容易被截获，发生干涉衍射的概率也较低，抗干扰能力强，能够完美适应密集多径的室内场所的工作环境，提高室内机器人定位的精度。此外，它所使用的携带数据的脉冲是间歇性脉冲，而且持续时间较短，系统消耗的电能较低，功率大约为常用蓝牙设备功率的1/20左右，几乎不会影响机器人的续航能力，并且辐射低、相应设备的寿命较高。还有，它能够将通信与定位结合为一个整体，利用一个系统同时完成两种工作，节省机器人内部空间，对于缩小室内机器人体积具有重要的推动作用，它的信号穿透能力极强，哪怕在穿越重重阻隔、到达室内时也不会出现明显衰弱，在地下室也能够顺利完成定位，这是GPS技术很难比较的。后，GPS技术只能确定物体的绝对位置，但超宽带技术却能够给出相对位置，更能适应室内机器人的工作特性，为用户提供详细的位置信息。

室内机器人超宽带定位系统的结构主要由移动控制端、三个基站、电源、主控制器等构成，其中移动控制端也就是客户的手机或者电脑中安装的APP，三个基站用于定位，电源可使用12V左右的蓄电池，可根据机器人的实际情况选择不同规格的电源。其环境信息采集模块可以使用超声波传感器和红外传感器共同构建，以提高所采集环境参数的准确性，还可增加多种传感器，对诸如空气湿度、光照强度、温度等多种参数进行测量，使机器人能够在完成定位工作之余实现对室内环境的监测，并在此基础上调整室内环境，为居民提供更舒适的居住体验，提高其生活质量。机器人定位所用主程序并不复杂，只需要设置成启动后进行一次系统初始化，清除之前的目标指令，并等待来自客户端的新指令，接收完成后，开启定位设备，启动定位功能，完成指令或者向目标物体运动，到达目标位置或者完成动作后就停止移动，若在途中遇到障碍物，就通过环境信息采集模块上传和反馈的信息进行路径重新规划，避开障碍物，继续前行并自动上传位置信息和环境信息、速度等参数，供用户进行查看和调整。

目前的移动机器人在一定程度上可以实现自主移动和相应的操作，但由于移动机器人的导航功能还相对落后，目前的机器人在进行操作时还不能全面实现自主的道路判定和计划，还是要靠人工提前设定才可以达到后的运作，所以将来机器人低昂为导航技术的发展防线就是达到移动机器人的自主操作。不管是资金还是人才的培养，我国也在机器人行业进行了更多的投资，并制定了《机器人产业发展五年规划》，以此来实现对我国机器人发展的足够重视和支持，并针对激光SLAM导航技术在移动机器人上的运用给予了政策支撑，进而加速我国移动机器人导航技术上的快速发展。

在进行导航时，移动机器人要通过了解四周的环境，把掌握到的所有信息收集完成后进行汇总，然后根据设定的路线前进。目前我国的移动机器人在导航技术上还不够先进，加上传感接收器也比较落伍，所以如果处于烦琐的环境下机器人就不能更全面的分析，从医出现很多问题。所以，在今后发展移动机器人定位导航技术时，要提升移动机器人在整合信息上的功能，保障所有的信息统一是今后移动机器人导航技术发展的方向。除此之外，还可以充分将目前的导航技术进行统一，全面利用超声波、CPS定位和视觉成像技术，进而提升机器人收集和汇总信息的功能。

在经济条件和科技条件逐步提升的如今，居民开始追求更高质量的生活，对于居住环境的要求也逐渐提升，想要实现对居住环境的智能管理和操控，首先应当对其进行详细的监测，而未来的小型室内机器人除了完成简单指令外，必然还需要融合更加多样化的功能，例如对于室内居住环境的监测。完善的环境监测和定位一体化系统能够对环境中的有害气体例如甲醛等的浓度进行监测，对煤气、天然气等危害气体的含量进行测量，并收集诸如温度、湿度等与居住环境舒适度密切相关的参数，向用户端的APP上发送相关信息，当某种数据超标时，能够及时发出警报，提醒主人对此进行处理。此外，它还可利用定位技术实现精准环境调控，根据主人指令对室内的电子设备等进行操控和管理，通过开启空调、排气系统、拉窗帘等方式来调节室内环境，营造更加舒适、更能满足个性化需求的环境，提高人们的生活质量。

综上所述，随着科技的不断进步和发展，在机器人学的研究中，小型室内机器人定位技术一直是为核心和关键的一项技术，在以后的分析探索关键内容就是提升机器人的自主定位能力和其高精准度定位能力，并优化定位算法，来确保小型室内机器人定位技术具有更高的可靠性和高速性。