摘  要： 現(xiàn)代建筑室內(nèi)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化，特別是伴隨人口老齡化的加劇，家庭安全問題引起人們廣泛關(guān)注。為了解決室內(nèi)定位與導(dǎo)航的問題，提出基于光斑室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的定位與導(dǎo)航技術(shù)，依靠機(jī)器人自帶紅外發(fā)射裝置與外帶攝像頭相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)情況下對(duì)機(jī)器人的精確定位與準(zhǔn)確導(dǎo)航，并且可以廣泛應(yīng)用于掃地機(jī)器人、家庭監(jiān)控機(jī)器人等家庭服務(wù)機(jī)器人，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)路徑規(guī)劃、自動(dòng)充電、自動(dòng)巡航、自動(dòng)避障等功能提供保障。
關(guān)鍵詞： 定位；導(dǎo)航；光斑；移動(dòng)；機(jī)器人；紅外發(fā)射器

    近年來(lái)，伴隨著家庭服務(wù)機(jī)器人的不斷發(fā)展，關(guān)于機(jī)器人的室內(nèi)定位與導(dǎo)航技術(shù)也越來(lái)越受大家重視。本文提出了基于光斑的定位導(dǎo)航技術(shù)的一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，在有限的空間內(nèi)具有強(qiáng)大的電子工具和良好的可操作性。且機(jī)器人能源效率高，不會(huì)在同一個(gè)地方來(lái)回重復(fù)移動(dòng)，保證了長(zhǎng)時(shí)間工作不需要充電。目的是使機(jī)器人便于商業(yè)化，使普通消費(fèi)者都能負(fù)擔(dān)得起。
    室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的定位導(dǎo)航技術(shù)是室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在相關(guān)文獻(xiàn)和技術(shù)研究中，定位與導(dǎo)航技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化和完全自主移動(dòng)的關(guān)鍵。對(duì)定位與導(dǎo)航技術(shù)的研究，其目的在于使移動(dòng)機(jī)器人在無(wú)人干預(yù)的條件下沿規(guī)劃的任意路徑移動(dòng)并完成指定的任務(wù)。現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)器人常用的導(dǎo)航方法有慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、基于傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等以及它們的組合。如參考文獻(xiàn)[1]中提出了一種基于視覺的機(jī)器人室內(nèi)定位導(dǎo)航方法；參考文獻(xiàn)[2-3]提出了基于全景視覺的機(jī)器人自主定位方法；參考文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了機(jī)器人地板處理器的RFID導(dǎo)航系統(tǒng)。
    上述技術(shù)方法同時(shí)也存在如下缺點(diǎn)：(1)基于安裝路標(biāo)的方法，路標(biāo)常常放置于地面上，容易被周圍過往的其他機(jī)器人所干擾，也容易人為損壞；(2)一些簡(jiǎn)單的路標(biāo)雖然圖像處理簡(jiǎn)單，但是不具備糾錯(cuò)性，而一些復(fù)雜路標(biāo)雖然具有完整數(shù)據(jù)糾錯(cuò)性，但是圖案過于復(fù)雜，運(yùn)算復(fù)雜度高，對(duì)攝像頭要求也較高，實(shí)時(shí)性差；(3)一些基于路標(biāo)的方法，只能沿已鋪設(shè)的路徑運(yùn)動(dòng)，路徑改變困難，不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的自主化，不容易擴(kuò)展到大環(huán)境下的機(jī)器人室內(nèi)定位導(dǎo)航；(4)基于攝像頭直接拍攝機(jī)器人進(jìn)行定位的方法，對(duì)攝像頭的安裝有較高要求，而且在不復(fù)雜背景情況下，要想實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的檢測(cè)通常較為麻煩；(5)直接采用激光或者超聲陣列的方法，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對(duì)過高。
    本文描述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人采用兩束紅外光打在天花板上產(chǎn)生的兩個(gè)光斑實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定位。此定位技術(shù)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行定位，定位誤差不積累，定位精度較高；且無(wú)需在地面上鋪設(shè)任何導(dǎo)航用標(biāo)識(shí)物，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境無(wú)特殊要求，路徑規(guī)劃靈活。該定位與導(dǎo)航技術(shù)對(duì)機(jī)器人本體的顏色、大小、形狀無(wú)特殊要求，對(duì)室內(nèi)地面色彩無(wú)特殊要求，具備定位算法簡(jiǎn)單、運(yùn)算復(fù)雜度小、定位準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于掃地、監(jiān)控、娛樂等家庭服務(wù)。
1 室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人
1.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)
    如圖1所示，室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人采用傳統(tǒng)的兩輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，包括車體、兩個(gè)車輪（帶電機(jī)）、一個(gè)萬(wàn)向輪、小型驅(qū)動(dòng)控制板、一個(gè)紅外激光發(fā)射器、一個(gè)超聲波探測(cè)器、紅外接收器、無(wú)線串口通信模塊、供電模塊。其中，紅外激光發(fā)射器外部裝一個(gè)特制分光罩，如圖2所示，分光罩可以射出兩束光并在天花板上產(chǎn)生兩個(gè)光斑，而這兩個(gè)光斑是肉眼看不見的。

1.2 充電站結(jié)構(gòu)
    充電站由機(jī)械本體、導(dǎo)電線、紅外發(fā)射器、紅外攝像頭、小型計(jì)算機(jī)構(gòu)成。充電站安裝于房間中間或一角，接通220 V家用電源。其中，紅外攝像頭采用普通CMOS廣角攝像頭外加紅外濾波片構(gòu)成；紅外攝像頭以能拍攝到大部分天花板的角度安放，鏡頭通過畸變校正，使得拍攝圖像點(diǎn)位置與實(shí)際空間點(diǎn)位置呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系；通過調(diào)整濾光片的厚度，配合閾值分割算法，來(lái)確定紅外激光的反射斑點(diǎn)的位置；主機(jī)系統(tǒng)用于運(yùn)行機(jī)器人定位、導(dǎo)航程序，通過無(wú)線串口模塊向機(jī)器人發(fā)送控制命令。
2 定位方法
    機(jī)器人在室內(nèi)移動(dòng)時(shí)，發(fā)射的激光將在天花板形成兩個(gè)反射光斑。位于充電站的固定紅外攝像頭拍攝到天花板畫面，通過設(shè)置灰度閾值進(jìn)行分割，提取出兩個(gè)反射光斑的位置[5-7]，如圖3所示。

    依照機(jī)器人在兩幀之間運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，機(jī)器人當(dāng)前時(shí)刻實(shí)際的運(yùn)動(dòng)方向角?茲取與?琢夾角小于90°的那個(gè)方向，如圖4所示。

    本文將機(jī)器人原有的兩個(gè)紅外發(fā)射器改成了一個(gè)發(fā)射器，并達(dá)到了基于光斑室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人定位與導(dǎo)航技術(shù)的要求，這不僅節(jié)約能源而且降低了成本。本設(shè)計(jì)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于光斑的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的定位與導(dǎo)航技術(shù)是可行的，雖然尚不完善有待改進(jìn)，但完成了設(shè)計(jì)的基本任務(wù)要求，也為以后針對(duì)室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的定位與導(dǎo)航研究提出了一個(gè)新的方向，為室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的普及應(yīng)用開辟了前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 章小兵，宋愛國(guó)，唐鴻儒.基于視覺的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人精確定位方法[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2007，22(2)：196-200.
[2] 陸軍，穆海軍，朱齊丹，等.全景視覺在機(jī)器人自主定位中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，27(7)：1677-1679.
[3] Chen Jinwu，Wen Shangtai.Location estimation for indoor autonomous vehicle navigation by omni-directional vision using circular landmarks on ceilings[J].Robotics and Autonomous System，2009，57(5)：546-555.
[4] S.C.約翰遜父子公司.用于機(jī)器人地板處理器的RFID導(dǎo)航系統(tǒng)[P].中國(guó)專利：101243367A.2006.6.27.
[5] 天津理工大學(xué).基于單個(gè)路標(biāo)的視覺定位與導(dǎo)航方法[P]. 中國(guó)專利：101660908A.2009.9.11.
[6] 西安理工大學(xué).一種室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)[P]. 中國(guó)專利：201659565 U.2010.03.25.
[7] 王志文，郭戈.移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].機(jī)器人，2003(9)：470-474.
[8] 鄭睿，原魁，李園.一種用于移動(dòng)機(jī)器人室內(nèi)定位與導(dǎo)航的二維碼[J].高技術(shù)通訊，2008(4)：369-376.