人工智能和機器人領(lǐng)域著名的莫拉維克悖論表示：和傳統(tǒng)假設(shè)不同，對計算機而言，實現(xiàn)邏輯推理等人類高級智慧只需要相對很少的計算能力，而實現(xiàn)感知、運動等低等級智慧卻需要巨大的計算資源。

已經(jīng)在“人類最后智力驕傲”上碾壓人類的GoogleDeepMind的人工智能程序AlphaGo，卻連挪動一枚小小的棋子都需要人類幫助才能完成，是莫拉維克悖論有力的證明，讓計算機在智力測試或者下棋中展現(xiàn)出一個成年人的水平是相對容易的，但是要讓計算機有如一歲小孩般的感知和行動能力卻是相當困難。

而在機器人系統(tǒng)中，自主導航是一項核心技術(shù)，是賦予機器人感知和行動能力的關(guān)鍵。下面為大家盤點一下自主移動機器人常用的四種導航定位方法。

1、視覺導航定位

在視覺導航定位系統(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航方式。在這種導航方式中，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32×32到1024×1024像素等。

視覺導航定位系統(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)計學方法構(gòu)成的學習子系統(tǒng)，再由學習子系統(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航定位功能。

2、光反射導航定位

典型的光反射導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，當掃描到由后向反射器構(gòu)成的合作路標時，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)已知路標的位置和檢測到的信息，就可以計算出傳感器當前在路標坐標系下的位置和方向，從而達到進一步導航定位的目的。

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)

這個公式中，p—工件反射系數(shù)。p與目標物表面顏色、粗糙度有關(guān)。x—探頭至工件間距離。

當工件為p值一致的同類目標物時，x和Vo一一對應(yīng)。x可通過對各種目標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。差分動態(tài)定位消除了星鐘誤差，對于在距離基準站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)進行導航。另外，GPS導航系統(tǒng)也不適應(yīng)用在室內(nèi)或者水下機器人的導航中以及對于位置精度要求較高的機器人系統(tǒng)。

4、超聲波導航定位

超聲波導航定位的工作原理也與激光和紅外類似，通常是由超聲波傳感器的發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波，超聲波在介質(zhì)中遇到障礙物而返回到接收裝置。通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收時間差及傳播速度，計算出傳播距離S，就能得到障礙物到機器人的距離，即有公式：S=Tv/2式中，T—超聲波發(fā)射和接收的時間差;v—超聲波在介質(zhì)中傳播的波速。

當然，也有不少移動機器人導航定位中用到的是分開的發(fā)射和接收裝置，在環(huán)境地圖中布置多個接收裝置，而在移動機器人上安裝發(fā)射探頭。

在移動機器人的導航定位中，因為超聲波傳感器自身的缺陷，如：鏡面反射、有限的波束角等，給充分獲得周邊環(huán)境信息造成了困難，因此，通常采用多傳感器組成的超聲波傳感系統(tǒng)，建立相應(yīng)的環(huán)境模型，通過串行通信把傳感器采集到的信息傳遞給移動機器人的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再根據(jù)采集的信號和建立的數(shù)學模型采取一定的算法進行對應(yīng)數(shù)據(jù)處理便可以得到機器人的位置環(huán)境信息。

由于超聲波傳感器具有成本低廉、采集信息速率快、距離分辨率高等優(yōu)點，長期以來被廣泛地應(yīng)用到移動機器人的導航定位中。而且它采集環(huán)境信息時不需要復(fù)雜的圖像配備技術(shù)，因此測距速度快、實時性好。同時，超聲波傳感器也不易受到如天氣條件、環(huán)境光照及障礙物陰影、表面粗糙度等外界環(huán)境條件的影響。超聲波進行導航定位已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各種移動機器人的感知系統(tǒng)中。