智能機器人的三大關(guān)鍵技術(shù)詳解

　　市場研究機構(gòu)統(tǒng)計顯示，2015年中國工業(yè)機器人市場價值達13億美元，并將保持20%的年復(fù)合成長（CAGR），到2020年達到33億美元。

　　2015年，中國的工業(yè)機器人銷售收入占全球13%，到2020年將達到25%。美的花重金收購庫卡，大概也是看中工業(yè)機器人良好的發(fā)展勢頭。

　工業(yè)機器人屬于智能機器人的一種，智能機器人發(fā)展迅速，下面跟隨小編一起，了解一下智能機器人中用到的三大關(guān)鍵技術(shù)吧。

　　一、多傳感器信息融合

　　多傳感器信息融合技術(shù)是近年來十分熱門的研究課題，它與控制理論、信號處理、人工智能、概率和統(tǒng)計相結(jié)合，為機器人在各種復(fù)雜、動態(tài)、不確定和未知的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)提供了一種技術(shù)解決途徑。

　　數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵問題是模型設(shè)計和融合算法，數(shù)據(jù)融合模型主要包括功能模型、結(jié)構(gòu)模型和數(shù)學(xué)模型。

　　功能模型從融合過程出發(fā)，描述數(shù)據(jù)融合包括哪些主要功能和數(shù)據(jù)庫，以及進行數(shù)據(jù)融合時系統(tǒng)各組成部分之間的相互作用過程；

　　結(jié)構(gòu)模型從數(shù)據(jù)融合的組成出發(fā)，說明數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的軟、硬件組成，相關(guān)數(shù)據(jù)流、系統(tǒng)與外部環(huán)境的人機界面；

　　數(shù)學(xué)模型是數(shù)據(jù)融合的算法和綜合邏輯，算法主要包括分布檢測、空間融合、屬性融合、態(tài)勢評估和威脅估計算法等，下面從3個方面分別進行介紹。

　　1.信息融合的功能模型

　　目前已有很多學(xué)者從不同角度提出了信息融合系統(tǒng)的一般功能模型，最有權(quán)威性的是DFS（美國三軍政府組織-實驗室理事聯(lián)席會（JDL）下面的C3I技術(shù)委員會（TPC3）數(shù)據(jù)融合專家組）提出的功能模型。

　　該模型把數(shù)據(jù)融合分為3級。第1級是單源或多源處理，主要是數(shù)字處理、跟蹤相關(guān)和關(guān)聯(lián)；第2級是評估目標(biāo)估計的集合，及它們彼此和背景的關(guān)系來評估整個情況；第3級用一個系統(tǒng)的先驗?zāi)繕?biāo)集合來檢驗評估的情況。

　　2.信息融合的結(jié)構(gòu)模型

　　數(shù)據(jù)融合的結(jié)構(gòu)模有多種不同的分類方法，其中一種分類標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)在送人融合處理中心之前已經(jīng)處理的程度來進行分類。

　　在這種分類標(biāo)準(zhǔn)下，融合結(jié)構(gòu)被分為傳感器級數(shù)據(jù)融合，中央級數(shù)據(jù)融合及混合式融合，還可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理過程的分辨率來對融合結(jié)構(gòu)進行分類。在這種情況下，融合結(jié)構(gòu)為像素級、特征級和決策級融合。

　　3.多傳感器信息融合實現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型

　　信息融合的方法涉及到多方面的理論和技術(shù)，如信號處理、估計理論、不確定性理論、模式識別、最優(yōu)化技術(shù)、模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等這方面國外已經(jīng)做了大量的研究?！　∧壳埃@些方法大致分為兩類：隨機類方法和人工智能方法。

　　二、導(dǎo)航與定位

　　在機器人系統(tǒng)中，自主導(dǎo)航是一項核心技術(shù)，是機器人研究領(lǐng)域的重點和難點問題。自主移動機器人常用的導(dǎo)航定位方法有以下四種。

　　1、視覺導(dǎo)航定位

　　在視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的是基于局部視覺的在機器人中安裝車載攝像機的導(dǎo)航方式。

　　在這種導(dǎo)航方式中，控制設(shè)備和傳感裝置裝載在機器人車體上，圖像識別、路徑規(guī)劃等高層決策都由車載控制計算機完成。

　　視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要包括：攝像機（或CCD圖像傳感器）、視頻信號數(shù)字化設(shè)備、基于DSP的快速信號處理器、計算機及其外設(shè)等。

　　現(xiàn)在有很多機器人系統(tǒng)采用CCD圖像傳感器，其基本元件是一行硅成像元素，在一個襯底上配置光敏元件和電荷轉(zhuǎn)移器件，通過電荷的依次轉(zhuǎn)移，將多個象素的視頻信號分時、順序地取出來，如面陣CCD傳感器采集的圖像的分辨率可以從32&TImes;32到1024&TImes;1024像素等。

　　視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)的工作原理簡單說來就是對機器人周邊的環(huán)境進行光學(xué)處理，先用攝像頭進行圖像信息采集，將采集的信息進行壓縮，然后將它反饋到一個由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計學(xué)方法構(gòu)成的學(xué)習(xí)子系統(tǒng)，再由學(xué)習(xí)子系統(tǒng)將采集到的圖像信息和機器人的實際位置聯(lián)系起來，完成機器人的自主導(dǎo)航定位功能。

　　2、光反射導(dǎo)航定位

　　典型的光反射導(dǎo)航定位方法主要是利用激光或紅外傳感器來測距。激光和紅外都是利用光反射技術(shù)來進行導(dǎo)航定位的。　　激光全局定位系統(tǒng)一般由激光器旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、反射鏡、光電接收裝置和數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置等部分組成。

　　工作時，激光經(jīng)過旋轉(zhuǎn)鏡面機構(gòu)向外發(fā)射，當(dāng)掃描到由后向反射器構(gòu)成的合作路標(biāo)時，反射光經(jīng)光電接收器件處理作為檢測信號，啟動數(shù)據(jù)采集程序讀取旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的碼盤數(shù)據(jù)（目標(biāo)的測量角度值），然后通過通訊傳遞到上位機進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)已知路標(biāo)的位置和檢測到的信息，就可以計算出傳感器當(dāng)前在路標(biāo)坐標(biāo)系下的位置和方向，從而達到進一步導(dǎo)航定位的目的。　　如圖是一個LDSR激光傳感器系統(tǒng)原理框圖。激光測距具有光束窄、平行性好、散射小、測距方向分辨率高等優(yōu)點，但同時它也受環(huán)境因素干擾比較大，因此采用激光測距時怎樣對采集的信號進行去噪等也是一個比較大的難題。

　　另外激光測距也存在盲區(qū)，所以光靠激光進行導(dǎo)航定位實現(xiàn)起來比較困難，在工業(yè)應(yīng)用中，一般還是在特定范圍內(nèi)的工業(yè)現(xiàn)場檢測，如檢測管道裂縫等場合應(yīng)用較多。

　　紅外傳感技術(shù)經(jīng)常被用在多關(guān)節(jié)機器人避障系統(tǒng)中，用來構(gòu)成大面積機器人“敏感皮膚”，覆蓋在機器人手臂表面，可以檢測機器人手臂運行過程中遇到的各種物體。典型的紅外傳感器工作原理如圖所示。

　　該傳感器包括一個可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個用作接收器的固態(tài)光敏二極管。

　　由紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的信號，紅外光敏管接收目標(biāo)物反射的紅外調(diào)制信號，環(huán)境紅外光干擾的消除由信號調(diào)制和專用紅外濾光片保證。

　　設(shè)輸出信號Vo代表反射光強度的電壓輸出，則Vo是探頭至工件間距離的函數(shù)：

　　Vo=f（x，p）　　式中，p—工件反射系數(shù)。p與目標(biāo)物表面顏色、粗糙度有關(guān)。x—探頭至工件間距離。　　當(dāng)工件為p值一致的同類目標(biāo)物時，x和Vo一一對應(yīng)。x可通過對各種目標(biāo)物的接近測量實驗數(shù)據(jù)進行插值得到。

　　這樣通過紅外傳感器就可以測出機器人距離目標(biāo)物體的位置，進而通過其他的信息處理方法也就可以對移動機器人進行導(dǎo)航定位。　　雖然紅外傳感定位同樣具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，但因為它們角度分辨率高，而距離分辨率低，因此在移動機器人中，常用作接近覺傳感器，探測臨近或突發(fā)運動障礙，便于機器人緊急停障。

　　3、GPS全球定位系統(tǒng)

　　如今，在智能機器人的導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用中，一般采用偽距差分動態(tài)定位法，用基準(zhǔn)接收機和動態(tài)接收機共同觀測4顆GPS衛(wèi)星，按照一定的算法即可求出某時某刻機器人的三維位置坐標(biāo)。

　　差分動態(tài)定位消除了星鐘誤差，對于在距離基準(zhǔn)站1000km的用戶，可以消除星鐘誤差和對流層引起的誤差，因而可以顯著提高動態(tài)定位精度。

　　但是因為在移動導(dǎo)航中，移動GPS接收機定位精度受到衛(wèi)星信號狀況和道路環(huán)境的影響，同時還受到時鐘誤差、傳播誤差、接收機噪聲等諸多因素的影響

　　因此，單純利用GPS導(dǎo)航存在定位精度比較低、可靠性不高的問題，所以在機器人的導(dǎo)航應(yīng)用中通常還輔以磁羅盤、光碼盤和GPS的數(shù)據(jù)進行導(dǎo)航。

　　另外，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)也不適應(yīng)用在室內(nèi)或者水下機器人的導(dǎo)航中以及對于位置精度要求較高的機器人系統(tǒng)。