當前，物流智能搬運機器人、掃地機器人等已在一些城市和家庭中實(shí)際應用，無(wú)人機、無(wú)人車(chē)等也在迅速推廣中，這些機器人之所以能快速進(jìn)入應用階段，與自主定位導航技術(shù)的發(fā)展密不可分。
日前，艾瑞咨詢(xún)旗下艾瑞網(wǎng)公布了他們總結的“2018年全球AI突破性技術(shù)TOP10”，基于多傳感器跨界融合的機器人自主導航技術(shù)位列其中。機器人自主定位導航技術(shù)是什么？目前有幾種可實(shí)現機器人自主定位導航的技術(shù)手段？實(shí)現這些技術(shù)及應用的難點(diǎn)與挑戰是什么？
基礎：視覺(jué)和雷達是最主要的傳感器
可以說(shuō)，自主定位導航技術(shù)已經(jīng)成為機器人產(chǎn)品的核心和焦點(diǎn)之一。中國自動(dòng)化學(xué)會(huì )專(zhuān)家委員、清華大學(xué)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院杜明芳博士告訴科技日報記者，自主導航，從大的方面來(lái)講包括局域導航和全局導航兩部分。局域導航是指通過(guò)視覺(jué)、雷達、超聲波等傳感器實(shí)時(shí)獲取當前環(huán)境信息，提取數據融合后的特征，經(jīng)智能算法處理后實(shí)現當前可通行區域的判斷和多目標跟蹤；全局導航主要指利用GPS提供的全局導航數據進(jìn)行全局路徑規劃，并實(shí)現全電子地圖范圍內的路徑導航。
“目前，視覺(jué)和雷達是局部自主導航時(shí)采用的兩種最主要的傳感器?！倍琶鞣冀忉?zhuān)鳛楸粍?dòng)式傳感器，視覺(jué)傳感器的優(yōu)點(diǎn)顯著(zhù)，比如獲取信息豐富、隱蔽性好、體積小，不會(huì )因干擾帶來(lái)“環(huán)境污染”，相對雷達來(lái)說(shuō)成本低。而為了實(shí)現自主導航，多種傳感器相互協(xié)作來(lái)識別多種環(huán)境信息較為普遍，如識別道路邊界、地形特征、障礙、引導者等。如此一來(lái)，機器人才能通過(guò)環(huán)境感知來(lái)確定前進(jìn)方向中的可達區域或不可達區域，確認自己在環(huán)境中的相對位置，以及對動(dòng)態(tài)障礙物運動(dòng)進(jìn)行預判，為局部路徑規劃等提供依據。
杜明芳告訴記者，從當前發(fā)展情況看，多傳感器信息融合技術(shù)已經(jīng)被應用到自主導航系統中，所起的作用也關(guān)系著(zhù)機器人的智能化水平?！霸搶Ш郊夹g(shù)的核心在于可以對多傳感器收集到的信息進(jìn)行有效處理和融合，提高機器人對不確定信息的‘抵抗’能力，確保有更多可靠的信息被利用，有助于更為直觀(guān)地判斷出周?chē)沫h(huán)境?！彼f(shuō)。
視覺(jué)導航已成功應用于低空飛行器導航、無(wú)人機導航及火星探測器著(zhù)陸過(guò)程的導航中。不過(guò)，杜明芳也表示，視覺(jué)傳感器還存在提供的信息不直接，計算和存儲需求量大，網(wǎng)絡(luò )傳播負擔大等問(wèn)題。利用多傳感器信息融合可以消除機器人定位導航中的不確定性，提高精度，但是過(guò)度融合也會(huì )帶來(lái)計算量的成倍增加。
如何解決這些問(wèn)題？杜明芳認為，選擇恰當的融合算法是關(guān)鍵。當前，“將智能計算理論、概率論等基礎理論應用到機器人多傳感器融合領(lǐng)域的做法越來(lái)越多?！彼f(shuō)。
方式：多種技術(shù)組合實(shí)現優(yōu)勢互補
實(shí)現機器人自主定位導航有哪些方式？其實(shí)，汽車(chē)自動(dòng)駕駛和機器人用的部分自主定位導航技術(shù)是一致的。千尋位置CEO陳金培告訴記者，千尋使用激光雷達定位導航和傳感器組合技術(shù)，使定位精度達到1米左右，并可在3秒完成初始定位。
所謂激光雷達導航，是在行駛路徑的周?chē)惭b位置精確的激光反射板，機器人通過(guò)激光掃描器發(fā)射激光束，同時(shí)采集由反射板反射的激光束，來(lái)確定其當前的位置和航向，并通過(guò)連續的三角幾何運算來(lái)實(shí)現導引。激光雷達除了具有測距和定位功能外，還有識別和避障等作用。
杜明芳說(shuō)，激光雷達屬于主動(dòng)式傳感器，其提供的感知數據相對視覺(jué)信息要簡(jiǎn)單直接得多，處理時(shí)計算量??；但缺點(diǎn)是造價(jià)高、隱蔽性差，對環(huán)境有“污染”，信息不夠豐富等。
據了解，蘇寧的機器人和無(wú)人車(chē)自主導航采用的是另一種“多線(xiàn)激光雷達+GPS+慣導等多傳感器融合定位方式”。具體來(lái)說(shuō)，首先是激光雷達進(jìn)行環(huán)境建圖，獲得先驗點(diǎn)云地圖，通過(guò)GPS和慣性導航初步確定機器所在的全球位置，再通過(guò)激光雷達掃描數據與先驗點(diǎn)云地圖匹配，獲得更為精準的全球位置，實(shí)現精準定位和自主導航。在感知層面，激光雷達融合視覺(jué)，實(shí)時(shí)識別周?chē)男腥?、?chē)輛和障礙物，為規劃出最優(yōu)繞行路徑提供依據等。
此外還有慣性導航，這是指在機器人或無(wú)人車(chē)上安裝陀螺儀，在行駛區域的地面上安裝定位塊，通過(guò)對陀螺儀偏差信號（角速率）的計算及地面定位塊信號的采集來(lái)確定自身的位置和航向，從而實(shí)現導引。蘇寧有關(guān)負責人在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)表示，慣性導航技術(shù)定位精準、地面處理工作量小、路徑靈活性強。但制造成本較高，導引的精度和可靠性與陀螺儀的制造精度及其后續信號處理密切相關(guān)?？傊?，一種技術(shù)手段不能解決所有問(wèn)題，當前機器人自主導航普遍采用了多種技術(shù)組合的模式，以實(shí)現優(yōu)勢互補。
挑戰：功耗、成本和工業(yè)化問(wèn)題待解決
目前，自主定位導航機器人的應用主要分為兩類(lèi)，一是家庭使用的掃地機器人以及家庭看護、陪伴型機器人。思嵐科技CEO陳士凱說(shuō)，這類(lèi)應用場(chǎng)景可概括為“零配置”，從消費者使用來(lái)說(shuō)，要做到盡可能的極簡(jiǎn)，買(mǎi)回來(lái)就能用。另一類(lèi)則是在商業(yè)場(chǎng)景下，需要一個(gè)預先配置過(guò)程，對于這種配置要有高可靠性和可擴展性。
陳士凱說(shuō)，個(gè)人家庭場(chǎng)景導航定位系統要解決的是功耗、體積、成本的挑戰。目前無(wú)論即時(shí)定位與地圖構建（SLAM）算法還是路徑規劃系統，復雜度都比較高?！耙粋€(gè)掃地機器人，電池本身容量可能只有20多瓦時(shí)規模。如果讓它裝上一個(gè)筆記本電腦來(lái)跑SLAM算法，可能一個(gè)小時(shí)不到就沒(méi)電了，這是完全不被接受的?！?/span>
此外，新機器人第一次開(kāi)機時(shí)，對家里環(huán)境構造是完全不知道的，需要把地圖預先繪制出來(lái)?！斑@就有個(gè)矛盾點(diǎn)”，陳士凱說(shuō)，人們希望機器人在環(huán)境位置時(shí)馬上開(kāi)展工作，但主流算法還需要對環(huán)境有一個(gè)預先構建或探索，在這方面，“就需要業(yè)界做一些工作了”。陳士凱舉例道，比如可以給一個(gè)初級路徑規劃，隨著(zhù)機器人使用和探索，路徑再逐步細化完善等。
在商用或專(zhuān)業(yè)場(chǎng)景下，自主導航系統的困難在于，商用場(chǎng)景下地圖面積都很大，甚至會(huì )超過(guò)上萬(wàn)平方米?！澳壳?，SLAM系統還是比較消耗內存和運算量的。怎么讓它在如此大的場(chǎng)景下都可以工作，對導航定位系統來(lái)說(shuō)，是個(gè)很大的挑戰?！标愂縿P說(shuō)，解決之道是配備強大的硬件，同時(shí)對軟件和算法進(jìn)行更好優(yōu)化?！澳壳耙粋€(gè)合格的導航定位系統，不應僅僅有激光雷達，還應有視覺(jué)傳感器和超聲波等，并在導航定位算法上也要進(jìn)行相應的融合。這個(gè)融合，在學(xué)術(shù)上或算法上也許并不是很難，但考慮到工業(yè)化的問(wèn)題，比如很多超聲波傳感器是非標準產(chǎn)品，深度視覺(jué)傳感器每家規格不一樣安裝位置也不同，怎么以統一標準化接口方便客戶(hù)使用，存在挑戰?！保▉?lái)源：《科技日報》）