移動(dòng)機(jī)器人的研究始于 20 世紀(jì) 60 年代末期，目的是研究人工智能技術(shù)及在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理和規(guī)劃能力。 70 年代末，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，世界上一批著名公司開(kāi)始研究移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，這些移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)主要作為大學(xué)實(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 近年來(lái)，自主式移動(dòng)機(jī)器人（Autonomous Mobiie Robot）技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)及社會(huì)服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域顯示了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用前景，因而成為國(guó)際機(jī)器人學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［1，2，18］ 。 在自主式移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究中，導(dǎo)航技術(shù)是其研究核心。 導(dǎo)航是指移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng)。 導(dǎo)航主要解決三方面的問(wèn)題：（1）通過(guò)一定的檢測(cè)手段獲取移動(dòng)機(jī)器人在空間中的位置、方向以及所處環(huán)境的信息；（2）用一定的算法對(duì)所獲信息進(jìn)行處理并建立環(huán)境模型；（3）尋找一條最優(yōu)或近似最優(yōu)的無(wú)碰路徑，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人安全移動(dòng)的路徑規(guī)劃。 目前，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的研究已取得了大量的成果，但還有很多關(guān)鍵理論和技術(shù)問(wèn)題有待解決和完善。 本文將就移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)展開(kāi)討論。 2 移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式（The navigation manner of mobile robot）常見(jiàn)的導(dǎo)航方式有電磁導(dǎo)航［1］、光反射導(dǎo)航［1］、視覺(jué)導(dǎo)航［1，2，21］、味覺(jué)導(dǎo)航［2，21］、聲音導(dǎo)航［2，21］等。 電磁導(dǎo)航也稱(chēng)為地下埋線導(dǎo)航［1，2］，是 20 世紀(jì) 50 年代美國(guó)開(kāi)發(fā)的，到 20 世紀(jì) 70 年代這種導(dǎo)航方式迅速發(fā)展并廣泛應(yīng)用于柔性生產(chǎn)。 其原理是在路徑上連續(xù)埋設(shè)多條引導(dǎo)電纜，分別流過(guò)不同頻率的電流，通過(guò)感應(yīng)線圈對(duì)電流的檢測(cè)來(lái)感知路徑信息。 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所已生產(chǎn)出基于電磁導(dǎo)航的多代移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)品［2］ 。 該技術(shù)簡(jiǎn)單實(shí)用，但其成本高，改造和維護(hù)困難。 光反射導(dǎo)航的原理是在路徑上連續(xù)鋪設(shè)光反射條，是一種方式簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的導(dǎo)航系統(tǒng)。 上述兩種導(dǎo)航技術(shù)已相當(dāng)成熟，目前國(guó)內(nèi)制造行業(yè)使用的移動(dòng)機(jī)器人大多是基于這兩種導(dǎo)航方式。 視覺(jué)導(dǎo)航方式具有信號(hào)探測(cè)范圍寬、獲取信息完整等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的一個(gè)主要發(fā)展方向。 在視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)中，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最多的是采用在移動(dòng)機(jī)器人上安裝車(chē)載攝像機(jī)的基于局部視覺(jué)的導(dǎo)航方式。 采用這種導(dǎo)航方式，所有的計(jì)算設(shè)備和傳感器都裝載在機(jī)器人車(chē)體上，圖像識(shí)別、路徑規(guī)劃等高層決策都由車(chē)載計(jì)算機(jī)完成，因而延時(shí)問(wèn)題較為明顯。 現(xiàn)在也有很多機(jī)器人系統(tǒng)采用 CCD （charge coupied device）圖像傳感器［l，2］ 。 CCD 傳感器在一個(gè)硅襯底上配置光敏元件和電荷轉(zhuǎn)移器件，通過(guò)電荷的依次轉(zhuǎn)移，將多個(gè)象素的信息分時(shí)、順序地取出來(lái)，分為一維和二維兩種傳感器。 其中二維的圖像傳感器需要進(jìn)行水平、垂直方向掃描，對(duì)掃描所得的模擬電壓進(jìn)行采樣、量化，并將數(shù)字化了的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的二維陣列處理器中。 視覺(jué)導(dǎo)航中的圖像處理計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性差始終是一個(gè)瓶頸問(wèn)題。 為了提高導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和導(dǎo)航精度，仍需研究更加合理的圖像處理方法。 當(dāng)物體不在視野之內(nèi)或光線很暗時(shí)，視覺(jué)導(dǎo)航方式將失效，此時(shí)，聲音是最有用的信息。 與視覺(jué)相比，聲音的空間分辨率比較低，但聲音具有無(wú)方向性，時(shí)間分辨率高，能在黑暗中工作等優(yōu)點(diǎn)。 因此研究人員提出了基于聲音的導(dǎo)航方式，并采用 MUSIC 法［2］、時(shí)間—空間梯度法［2］、最大似然法［2］來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精確定位。 味覺(jué)導(dǎo)航是指機(jī)器人通過(guò)化學(xué)傳感器感知?dú)馕?，根?jù)氣味濃度和氣流方向來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。 氣味傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快以及魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。 目前的味覺(jué)導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)多采用在機(jī)器人的起始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間用特殊的化學(xué)藥品，引出一條無(wú)碰氣味路徑。 這種導(dǎo)航方式有很好的實(shí)用價(jià)值，如用于搜尋空氣污染源和化學(xué)藥品泄露源等。 3 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中的相關(guān)技術(shù)（Technology relative to mobile robot navigation） 3. 1 定位定位［l，2，5 ~ 7，l2］是確定移動(dòng)機(jī)器人在二維工作環(huán)境中相對(duì)于全局坐標(biāo)的位置及其本身的姿態(tài)，是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的最基本環(huán)節(jié)。 定位技術(shù)可分為絕對(duì)定位技術(shù)和相對(duì)定位技術(shù)。 相對(duì)定位技術(shù)主要有測(cè)距法［2，6］和慣性導(dǎo)航法［2，6］ 。 測(cè)距法以位移方程 S = E n i = 0 ！Si 為基礎(chǔ)，其中 S 為第 n 個(gè)采樣周期時(shí)車(chē)輪移動(dòng)的總路程，！Si 為第 i 個(gè)采樣周期內(nèi)車(chē)輪移動(dòng)的路程。 測(cè)距法常采用的傳感器有光電編碼器［6，l3］、里程計(jì)［6，l3］和航 向 陀 螺儀［6，l3］ 。 其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的短期精度、低廉的價(jià)格以及較高的采樣速率。 慣性導(dǎo)航法采用陀螺儀和加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)定位，陀螺儀測(cè)量回轉(zhuǎn)速度，加速度計(jì)測(cè)量加速度。 根據(jù)測(cè)量值的一次積分和二次積分可分別求出角度和位置參量。 陀螺儀通過(guò)對(duì)所測(cè)的角速度值進(jìn)行積分，計(jì)算出相對(duì)于起始方向的偏轉(zhuǎn)角度，即 “ = I t t0 #（t）1t. 其中：” 為 t 時(shí)刻相對(duì)起始方向的偏轉(zhuǎn)角度，# 為瞬時(shí)角速度，t0 為起始時(shí)間。 相對(duì)定位技術(shù)的基本思路都是基于測(cè)量值的累積，因而無(wú)法避免時(shí)間漂移問(wèn)題，隨著路徑的增長(zhǎng)，任何小的誤差經(jīng)過(guò)累積都會(huì)無(wú)限增加。 因此，相對(duì)定位不適于長(zhǎng)距離和長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)確定位，通常將它們與絕對(duì)位置測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，以獲得更可靠的位置估計(jì)。 絕對(duì)定 位 技 術(shù) 中 比 較 成 熟 的 有 全 球 定 位 系統(tǒng)［6，ll］、路標(biāo)定位［2，6，7］和地圖匹配定位［2，5 ~ 7，l2］ 。 全球定位系統(tǒng)（Giobai Positioning System）簡(jiǎn)稱(chēng) GPS，它是一種以空間衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。 GPS 定位系統(tǒng)用于移動(dòng)機(jī)器人定位時(shí)存在近距離定位精度低等問(wèn)題。 路標(biāo)定位是一種常見(jiàn)的定位技術(shù)。 路標(biāo)是具有明顯特征的能被機(jī)器人傳感器識(shí)別的特殊物體。 根據(jù)路標(biāo)的不同，分為基于自然路標(biāo)定位和基于人工路標(biāo)定位。 其中，人工路標(biāo)定位技術(shù)應(yīng)用得最為成熟。 人工路標(biāo)定位是在移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境里，人為地設(shè)置一些坐標(biāo)已知的路標(biāo)，如超聲波發(fā)射器、激光反射板等，機(jī)器人通過(guò)對(duì)路標(biāo)的探測(cè)來(lái)確定自身的位置。 基于已知地圖的定位系統(tǒng)稱(chēng)為地圖匹配定位技術(shù)，移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)自身的傳感器探測(cè)周?chē)h(huán)境，并利用感知到的局部信息進(jìn)行局部地圖構(gòu)造，然后將這個(gè)局部地圖與預(yù)先存儲(chǔ)的完整地圖進(jìn)行比較，如兩地圖相互匹配，就能計(jì)算出機(jī)器人在工作環(huán)境中的位置與方向。 地圖匹配定位的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是地圖模型的建立和匹配算法