機器人家族的成長奮斗史

  機器人可以追溯到上個世紀50年代，一位計算機科學家、數學家阿蘭·圖靈提出了圖靈測試，又稱為模仿游戲，這可以稱之為機器人最早的雛形。而真正意義上的機器人出現在1959年，美國人英格伯格和德沃爾制造出了世界上第一臺工業機器人，這臺機器人外形像一個坦克的炮塔，基座上有一個可轉動的大機械臂，大臂上又伸出一個可以伸縮和轉動的小機械臂，能進行一些簡單的操作，代替人做一些諸如抓放零件的工作。（摘自網絡）

  現如今的機器人已經發展成各種樣式，擁有多種功能，并且還在持續不斷變得更加強大更加智能。為了更好地記憶，小編用《機器人總動員》中可愛的“瓦力”（小編以為讀wa平聲，li輕聲最符合機器人語言）為機器人代名。

  這只瓦力要活動要玩耍，需要解決三個問題：它在哪兒？它想要去哪兒？它怎么去？

  要解決瓦力遇到的這三個問題，通常會采用導航的方式，這里小編想要介紹機器人家族成長奮斗過程中的幾種導航方式：二維碼導航、磁導航、激光導航和自然導航。

  有人說，最難以讓機器人實現的是人最容易做到但很難用語言描述清楚的動作，小編頗為贊同。首先，工程師為瓦力畫出一幅專屬它活動區域的路徑規劃小地圖，通過機器人導航及算法，瓦力可以在它的地圖里有限定或自由地行走，這過程中，它還會對各種動態或靜態的障礙物進行識別與判斷，以避免不必要的“沖突”。那具體這幾種方式是如何引導瓦力的，小編通過搜集各種資料和學習，整理過后以通俗的語言與大家分享。

  01、二維碼導航

  二維碼導航，顧名思義需要通過二維碼進行導航，即在瓦力活動區域內，按照限定的路徑，鋪設一路一定間隔的二維碼，配合單軸陀螺儀校正航向角度。瓦力本體上裝備可以讀取識別二維碼的攝像頭，在通過開發工程師的算法，它可以實現從一個二維碼到另一個（1,2，……,n），達到從起始到目的地的有限的活動。

  這種方式的優勢是定位精確，小巧靈活，鋪設、改變路徑也較容易，便于控制通訊，對聲光亦無干擾。缺點是施工較大，路徑需要定期維護，如果場景稍復雜，則需要較為頻繁維護或更新二維碼，對陀螺儀的精度和使用壽命有嚴格要求，要求場地有一定的平整度。

  02、磁導航

  磁導航一般配合磁條、磁釘或者電纜使用，不管是磁條、磁釘還是電纜，都需要預先鋪設行進路線、工位或者其它動作區域。

  瓦力在接收到活動指令后，按照預設指令，分析起點至終點的路徑，規劃出最佳行走路徑，沿著鋪設的磁條、磁釘或電纜行走至指定位置。

  這種導航方式的優點是導引原理簡單可靠，便于控制通訊，對聲光無干擾，投資成本較低。缺點是施工較大，需定期維護或更換受到污染和破損的磁條、磁釘或電纜，否則會極大影響機器人行走路徑，改變或擴充路徑較麻煩，鋪設相對困難。

  03、激光導航

  激光導航又分為基于反射板導航和無反射板導航（自然導航）。

  基于反射板導航的原理相對簡單一些。在瓦力的活動路線周圍一定距離間隔內布置反射板，瓦力身上配備激光掃描儀發射激光束，同時采集由反射板反射回來的激光束。根據反射回來的多個激光束數據（最少同時獲取三個反射板的數據），可以確定瓦力在當前環境中的位置和航向，并配合運動控制器及控制算法來實現它的自動行駛。

  基于反射板的激光導航優點在于定位精確，無需鋪設地面輔助定位設施，行駛路徑可以靈活改變。缺點是激光導航控制復雜，技術成本較為昂貴，反射板以及激光傳感器之間不能有障礙物，反射板需定期維護。

  04、自然導航

  所謂自然導航、無反射板導航的大概都是一樣地基于SLAM的導航原理。SLAM（simultaneous localization and mapping）即同步定位與建圖，是指在未知的環境中，機器人通過自身所攜帶的傳感器（編碼器、IMU等）和外部傳感器（激光傳感器或者視覺傳感器）來對自身進行定位，并在定位的基礎上利用外部傳感器獲取的環境進行信息增量式的環境地圖構建。

  自然導航是一種不需要對基礎設施進行任何調整，也無需任何地面標記的導航技術，是基于現有環境實現的導航。自然導航的實現路徑為，機器人在未知環境中某一位置出發，通過環境感知傳感器（激光掃描儀）持續掃描周圍場景，并判斷所在環境中各類標識地物的自然特征，持續進行數據集成和融合分析，進行自主定位的同時建立連續的環境地圖，并在此基礎上實現移動機器人的路徑規劃、導航與避障功能，完成路徑行駛。

  自然導航也存在一些技術難點，SLAM算法較為復雜；從二維到三維再到多維融合的過程較難實現；多臺機器人的同時的聯合作業涉及的調度較為復雜。

  基于環境的自然導航方式是必然趨勢，因為人工設置路標需要較長的安裝時間和環境改造成本，而要解決這個問題，就需要在環境地圖未知的情境下，通過更豐富的智能感知系統，借助自然本來就具有的環境特征，實現移動機器人的自主定位和導航。這正是自然導航完勝二維碼和磁導航方式的地方。

  當然，瓦力除了設置了路徑規劃、導航、避障功能外，還具備自主充電、各種功能性應用，在這里，小編不多做鋪述。瓦力還有很多同門師兄、師弟、師姐、師妹，也不再多做擴展。

  附幾種導航方式的原理及優劣勢分析表：