第第頁(yè)室外導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展研究國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述上世紀(jì)60年代中期人類開始了對(duì)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的研究，至今已有近50年的歷史[4]。在此期間，世界各地的科研院所、高校以及公司都積極地參與研究并獲得了豐富的研究成果。以美國(guó)、德國(guó)、日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的研究成果很具有代表性。我國(guó)在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)研究上起步較晚，不過發(fā)展速度較快。1.1國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)在上世紀(jì)60年代末開始研究。在1966年至1977年期間，美國(guó)斯坦福研究院的NilsNilssen和CharlesRosen等人研制出了Shakey移動(dòng)機(jī)器人[4]。如圖1-4所示。圖1-4Shakey移動(dòng)機(jī)器人上世紀(jì)80年代初期，在美國(guó)DARPA的支持下，CMU、Martin、Marietta、和Marylan等單位相繼開始了移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)的研究工作，旨在研制能夠在室外環(huán)境下自主移動(dòng)的機(jī)器人[4]。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(CMU)的Nvalab課題組一直以來服務(wù)于輪式移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航工作的研究，其研制的Navlab系列實(shí)驗(yàn)車成為行業(yè)的典范。其研究初期的實(shí)驗(yàn)車Navlabl和Navlab2主要應(yīng)用在軍事，他們的研究重點(diǎn)為移動(dòng)平臺(tái)的障礙物檢測(cè)、路徑跟蹤及越野環(huán)境下的自主駕駛功能[35]。NavLab1導(dǎo)航系統(tǒng)于上世紀(jì)80年代建成，其導(dǎo)航系統(tǒng)使用了彩色攝像機(jī)、激光雷達(dá)、超聲儀、姿態(tài)傳感器、光碼盤等傳感器。該系統(tǒng)利用控制器完成了視覺圖像處理與理解，傳感器信息融合，路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制等功能。NavLab1在校園環(huán)境下的行駛速度可以達(dá)到12km/h，在一般非結(jié)構(gòu)化道路的速度為10km/h。NavLab1的研究初步實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人室外導(dǎo)航功能[4]。Nvalab課題組在NavLab1的基礎(chǔ)上，其后續(xù)的實(shí)驗(yàn)車Nvalab2研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了針對(duì)城市環(huán)境的環(huán)境檢測(cè)和自主駕駛。Nvalab2外形如圖1-5所示。圖1-5Nvalab2智能車CMU的Nvalab課題組繼1986年改進(jìn)Navlab、1990年改進(jìn)Navlab2之后,他們又于1995年完成了全新的智能車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Navlab5。NavLab5采用Pontiac運(yùn)動(dòng)跑車為本體，如圖1-6所示。圖1-6Navlab5智能車美國(guó)iRobot公司于2002年研發(fā)了智能掃地機(jī)器人，如圖1-7所示。該產(chǎn)品以優(yōu)惠且實(shí)用的優(yōu)勢(shì)打開了家庭機(jī)器人市場(chǎng)，吸塵機(jī)器人可自動(dòng)識(shí)別地板表面，從地毯到堅(jiān)硬的地面上，能自動(dòng)調(diào)節(jié)清洗模式[5]。它還能夠到電源處自動(dòng)充電，保證長(zhǎng)時(shí)間工作，現(xiàn)己成為最大銷量的家庭服務(wù)機(jī)器人。圖1-6智能掃地機(jī)器人2004年1月4日勇氣號(hào)火星探險(xiǎn)車成功登陸火星，同年1月25日其孿生兄弟機(jī)遇號(hào)火星探險(xiǎn)車成功登陸火星，如圖1-8。勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)火星探險(xiǎn)車較之前的Sojourner火星探測(cè)器更注重了視覺傳感器的使用，大幅減少了激光傳感器的使用。其視覺傳感器的作用主要是實(shí)現(xiàn)拍攝全景、視覺導(dǎo)航、對(duì)目標(biāo)物的校準(zhǔn)、避障等功能[6]。圖1-6機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)器移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)在室內(nèi)使用較為有代表性的是瑞士蘇黎世大學(xué)開發(fā)的Pygmalion機(jī)器人，如圖1-9所示，和ActiveMedia機(jī)器人公司研制的PIONEER3，如圖1-10，以及瑞士k-team公司研制的基于嵌入式技術(shù)的Hemisson機(jī)器人，如圖1-11。這幾款機(jī)器人產(chǎn)品都裝備有多個(gè)外部傳感器，可以實(shí)時(shí)感知自身內(nèi)部與自身周圍的環(huán)境信息，完成環(huán)境地圖創(chuàng)建和自身位姿定位,從而完成自主定位導(dǎo)航[4]。圖1-9Pygmalion機(jī)器人圖1-10PIONEER3機(jī)器人圖1-11Hemisson機(jī)器人移動(dòng)機(jī)器人室外導(dǎo)航系統(tǒng)研究工作中另一個(gè)具有里程碑意義的研究成果是谷歌公司的GgoogleFleet1智能車輛，如圖1-12所示。谷歌研制的無人駕駛汽車在連接舊金山與洛杉磯兩地的一條公路上實(shí)現(xiàn)了人工監(jiān)督下的長(zhǎng)達(dá)1.4萬(wàn)公里的駕駛以及1000公里的智能自主駕駛[5]。谷歌公司研制的這款具有跨時(shí)代意義的無人駕駛汽車已經(jīng)正式在內(nèi)華達(dá)州的公路上投入使用，這也標(biāo)志移動(dòng)平臺(tái)的室外導(dǎo)航技術(shù)研究又取得了階段性的進(jìn)步。谷歌公司的移動(dòng)機(jī)器人室外導(dǎo)航系統(tǒng)的研究成果為行業(yè)樹立了標(biāo)桿，也為該技術(shù)后續(xù)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[4]。圖1-12谷歌智能車1.2國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r上世紀(jì)90年代，中國(guó)正式開始了對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的科學(xué)研究。經(jīng)過40年的相關(guān)研究和全面發(fā)展，我國(guó)在多項(xiàng)科研成果上也取得了顯著成績(jī)。2003年清華大學(xué)于成功地研發(fā)了一款聚合了局部和全局路徑規(guī)劃技術(shù)的移動(dòng)機(jī)器車:THMR-V無人車，該移動(dòng)機(jī)器車在傳感器和路徑規(guī)劃算法方面做了大量的工作并且取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。THMR-V采用道奇7座廂式車為研究原型，研究實(shí)驗(yàn)環(huán)境包括高速公路和一般道路環(huán)境[3]。如圖1-13所示。圖1-13THMR-V無人車根據(jù)圖書館、博物館、治療中心等大型公共場(chǎng)合運(yùn)營(yíng)、展示以及家庭私人應(yīng)用的需求,中科院自動(dòng)化所研制了CASIA-I移動(dòng)機(jī)器人,如圖1-14所示。CASLA-I機(jī)器人由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電子控制部分與傳感器部分組成。其傳感器系統(tǒng)包括多個(gè)和多種傳感器，主要包括CCD視覺攝像機(jī)、16個(gè)超聲波傳感器和16個(gè)紅外線傳感器以及16個(gè)觸覺和紅外線傳感器等[7]。圖1-14CASLA-I機(jī)器人吉林大學(xué)智能車輛課題組一直致力于JLUIV系列智能車輛的研究，經(jīng)過二十年多年的研究工作，該課題組先后研制了JUTIV-I.JUTIV-Ii、JLUIV-IIi和JLUIV-Ⅳ四代導(dǎo)航智能車，在智能車室外導(dǎo)航技術(shù)方面取得了豐富的研究成果[4]。研制的JLUIV-I智能實(shí)驗(yàn)車主要完成了基于條狀道路標(biāo)識(shí)與道路天然邊界識(shí)別原理的工控機(jī)自主導(dǎo)航功能、基于視覺傳感器與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合的安全距離避障、障礙物智能識(shí)別與停車安全提醒、智能停車、利用GPS觸感器信息的車輛輔助導(dǎo)航等工作，見圖1-15。研制的JLUIV-III智能實(shí)驗(yàn)車主要完成了基于條狀道路標(biāo)識(shí)與道路天然邊界識(shí)別原理的工控機(jī)自主導(dǎo)航功能，識(shí)別數(shù)字編碼的多?？抗の患岸喾种窂揭?guī)劃，空中障礙物判別，智能識(shí)別車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)標(biāo)識(shí)符等[11,12]。JLUIV-III如圖1-16所示。圖1-15JLUIV-II機(jī)器人圖1-16JLUIV-III機(jī)器人上世紀(jì)九十年代由浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京理工大學(xué)等大學(xué)聯(lián)手研制了智能機(jī)器人平臺(tái)ATB(AutonomousTestBed)-1。該軍用智能機(jī)器人平臺(tái)裝備了攝像機(jī)傳感器、激光雷達(dá)、姿態(tài)傳感器、超聲波[8]。上位機(jī)系統(tǒng)利用兩臺(tái)sum10完成了多傳感器信息的融合，機(jī)器人路徑的全局與局部規(guī)劃，兩臺(tái)分別完成道路識(shí)別和傳感器數(shù)據(jù)信息處理，單片機(jī)則用來計(jì)算和控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。在這之后繼續(xù)研制了ATB-2,ATB-2將應(yīng)用場(chǎng)合拓展到了結(jié)構(gòu)化道路和越野環(huán)境。此外，ATB-2還完成了夜間環(huán)境行駛的功能，ATB-2于2001年1月通過了驗(yàn)收。經(jīng)過試驗(yàn)，ATB-2在結(jié)構(gòu)化道路中時(shí)速可達(dá)到30.6km/h，室外環(huán)境下行駛的最高[4]。海爾哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)公司按照市場(chǎng)需求推出了導(dǎo)游機(jī)器人，如圖1-17所示。導(dǎo)游服務(wù)機(jī)器人由機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、電子電路部分、傳感器、避障系統(tǒng)、路徑規(guī)劃系統(tǒng)、語(yǔ)言識(shí)別系統(tǒng)等組成[9]。導(dǎo)游機(jī)器人由蓄電池驅(qū)動(dòng)，電池一次性充滿可連續(xù)工作四個(gè)小時(shí)。在導(dǎo)航系統(tǒng)的指導(dǎo)下可在一定環(huán)境下自主行走，并識(shí)別障礙物主動(dòng)避障。游客也可以和機(jī)器人進(jìn)行交流來獲得景區(qū)信息，這些都通過語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)來完成。除此之外，該公司還研制推出了安保機(jī)器人如圖1-18所示。該安保機(jī)器人除了可以顯示自主導(dǎo)航之外，還會(huì)對(duì)發(fā)現(xiàn)的火光、煙霧、非法入侵等情況進(jìn)行報(bào)警。圖1-17導(dǎo)游機(jī)器人圖1-18安保機(jī)器人參考文獻(xiàn)[1]蘇欣麗.物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下的寫字樓智能送餐產(chǎn)品設(shè)計(jì)[D].大連理工大學(xué),2019.[2]付韻來.智能汽車的發(fā)展綜述[J].中國(guó)設(shè)備工程,2018(02):172-173.[3]李秀嶺,高海濤,魏秀蘭,等.國(guó)內(nèi)外智能車輛發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].青年時(shí)代,2015(8):83-84.[4]張友坤,周云山,許建斌,等.圖象識(shí)別自動(dòng)引導(dǎo)車輛制動(dòng)系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1998(2):40-43.[5]韓杰.移動(dòng)機(jī)器人室外導(dǎo)航系統(tǒng)研究與研發(fā)[D].東北大學(xué),2017.[6]沈天柱.仿蟹八足機(jī)器人軌跡規(guī)劃及控制[D].華東理工大學(xué),2011.[7]張娜.全區(qū)域覆蓋自主移動(dòng)機(jī)器人數(shù)字化環(huán)境的建立與定位系統(tǒng)的研究[D].南京理工大學(xué),2005.[8]楊晶東.移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.[9]李建波.智能移動(dòng)機(jī)器人綜合平臺(tái)控制研究[D].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué),2015.[10]段華.室外移動(dòng)機(jī)器人視覺導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué),2006.[11]殷勤.智能車輛組合導(dǎo)航中數(shù)據(jù)融合算法[D].吉林大學(xué),2012.[12]蔣燕.基于多傳感器信息融合的同步定位與地圖創(chuàng)建研究[D].湘潭大學(xué),2009.[13]紀(jì)雪松.基于視覺的室內(nèi)機(jī)器人移動(dòng)操作控制方法研究[D].中國(guó)民航大學(xué),2011.[14]馮肖維.基于多傳感器信息融合的移動(dòng)機(jī)器人位姿計(jì)算方法研究[D].上海大學(xué),2011.[15]蔣怡然.電網(wǎng)雷電故障行波定位方法[D].長(zhǎng)沙理工大學(xué),2015.[16]薛茂盛.LXI總線構(gòu)架的信號(hào)調(diào)理采集系統(tǒng)[D].長(zhǎng)春理工大學(xué),2016.[17]邊根慶,田飛騰.基于安卓平臺(tái)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無線互聯(lián)科技,2018,15(15):55-57.[18]呂杰.自動(dòng)導(dǎo)盲小車設(shè)計(jì)[J].河南科技,2019(32):64-66.[19]李治澤.基于激光雷達(dá)的四旋翼飛行器SPLAM研究與實(shí)現(xiàn)[D].國(guó)防科技大學(xué),2017.[20]吳成鼎.基于Cartographer的室內(nèi)SLAM系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].福州大學(xué),2018.[21]曹少軍.應(yīng)用于DNA數(shù)據(jù)采集打孔機(jī)硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué),2014.[22]董少波.紫外—可見光微型光纖光譜儀的研制[D].浙江工業(yè)大學(xué),2014.[23]ShanShaosheng,XuDan,GongJian.RealtimeLocalizationMethodResearchwithMonoslamandBIMModel[J].IOPConferenceSeries:EarthandEnvironmentalScience,2021,768(1).[24]劉鑄,劉恒宇,凡正波.一種雙CPU自動(dòng)尋光小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子制作,2018(13):82-83+87.[25]黃晏峰.熱安全監(jiān)測(cè)用熱電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在放熱系統(tǒng)中應(yīng)用研究[D].南京理工大學(xué),2018.[26]江中玉,何振鵬,胡錦.基于STM32F103的智能導(dǎo)航避障小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2019,17(03):29-33.[27]Zu