室外智能移动机器人的发展及其关键技术研究

室外移动机器人发展中有着代表意义的几个典型系统 进而论述了室外移动机器人研究中的若干关 键技术的研究现状及发展水平 这些关键技术包括移动机器人的控制体系结构 ! 机器人视觉信息的实 时处理技术 ! 车体的定位系统 ! 多传感器信息的集成与融合技术以及路径规划技术与车体控制技术 等 关键词 室外智能移动机器人 控制体系结构 机器人视觉 路径规划 导航与控制 中图分类号
° °
和
∗
× 等单位开展了
∂ 的研究 2
≥
下属的
wk.baidu.com
°
∏
也进行了这方面的研究 国内从八# 五期间开始了这方面的研究 有多所高校联合 其某些关键技术达到了国际先进水平 清华大学计算机系
≈ ∗
研制的军用室外移动机器人 自主开发了 ×
2
型机器人
行动决策与规划技术达到了国际先进水平
根据室外智能移动机器人的应用领域及道路环境的不同 目前室外移动机器人的研究的 侧重点可分为两方面 一是结构化道路 高速公路! 高等级公路 上的车辆自主驾驶或辅助驾 驶 其目标应用领域为民用运输部门或公路安全部门 代表成果有 ≤
下层 车体信息也可由下层传往上层 这种方法既保证了系统的实时性又具有较高的智能级
的环境信息实现对机器人的导航 机器人视觉信息主要指二维彩色 ≤ ≤ ⁄ 摄像机信息 在有些 系统中还包括三维激光雷达采集的信息 视觉信息能否正确! 实时地处理直接关系到车体行驶
机
器
人
年
月
速度! 路径跟踪以及对障碍物的避碰 对车体的实时性和鲁棒性具有决定性的作用 视觉信息 的处理技术是室外移动机器人研究中最关键的技术之一 目前视觉信息处理的内容主要包括 视觉信息的压缩和滤波! 道路检测和障碍物检测! 特定交通道路标志的识别! 三维信息感知与 处理 其中道路检测和障碍物检测是视觉信息处理中最重要的过程 也是最困难的过程 视觉 信息的获取是局部路径规划和导航的基础 道路检测的成功与否决定了机器人能否正确识别 当前的道路环境 能否正确作出局部路径规划并执行路径跟踪 为了简化视觉信息处理 降低 开发难度 通常把室外移动机器人的工作环境分为结构化道路环境和非结构化道路环境 结构 化道路的检测相对来说较易实现 其检测技术一般都以边缘检测为基础 辅以
Ù ∏ ≤
构成的
√
并行处理单元构成 完成图像处理! 卡尔曼动态滤波! 车体控制 另一台 °≤ 完成系统自举! 监 在典型的高速公路环境下的最高速度为
2 3 我国的 7Β 8 系统! ΤΗ Μ Ρ −ΙΙΙ 系统和 ΤΗ Μ Ρ −ς 系统
系统是由南京理工大学! 北京理工大学! 浙江大学! 国防科技大学! 清华大学等多所 院校联合研制的军用室外移动机器人 于 计算机系统采用两台 ≥∏ 年 月通过验收 系统的车体选用国产 跃进客货车改制 车上集成了二维彩色摄像机! 三维激光雷达! 陀螺惯导定位! 超声等传感器 完成信息融合! 黑板调度! 全局! 局部路径规划 两台 °≤ 完成 单片机完成定位计算和车辆自动驾驶 其体系结构以水 路边抽取识别和激光信息处理 平式结构为主 采用传统的/ 感知2建模2规划2执行0 算法 其直线跟踪速度达到 速度达到 ∗ Ù 在国家科工委和国家 验室自 年开始研制 ×
轿车 传感器系统包括
个小型彩色 ≤ ≤ ⁄ 摄像机 构成两组主动式双目视觉系统 测速表及发动机状态测量仪 执行机构包括方向力
∏ ∏
个惯性线性加速度计和角度变化传感器
°≤ 2
矩电机! 电子油门和液压制动器等 计算机系统由基于 × 组成 ×
∏
的并行处理单元和两台
并行处理单元由大约
个×
构成 用于图像特征抽取! 物
°≤ 机完成视觉信息处理 另一台 °≤ 完成局部规划! 反射控制及系统监控 数台 2
完成超
声测量! 位置测量! 车体方向速度的控制 它的体系结构以垂直式为主 采用多层次 / 感知2动 作0 行为控制及基于模糊控制的局部路径规划及导航控制 利用 × 2 研究了直线跟踪 算法! 白线跟踪算法! 连续障碍物跟踪算法! 漫游避障! 路标识别! 视觉神经网道路识别! 道路模 糊识别等多种导航算法 完成了主楼前穿越松墙路! 路口进入! 主楼前绕 / ] 0 字等整体实验 2 在自主道路跟踪时达到 ∗ Ù 避障达 Ù ×
×°
文献标识码
1
引言
智能移动机器人是机器人研究领域中的一个重要分支 智能移动机器人集人工智能! 智能
控制! 信息处理! 图像处理! 检测与转换等专业技术为一体 跨计算机! 自动控制! 机械! 电子等 多学科 成为当前智能机器人研究的热点之一 智能移动机器人可分为室外智能移动机器人 移动机器人
∂ ∏ ∏ ∂
Ù 避障
计划的资助下 清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实
× ∏
系列移动机器人系统 在移动机器
人的自主式系统! 体系结构! 传感器信息的获取与处理! 路径规划与立体视觉! 感知动作! 多行 为控制! 通讯与临场感技术上进行了较为深入的研究 面包车改制 × 2 上集成了二维彩 一台! °≤ 2 色摄像机! 磁罗盘光码盘定位! °≥ ! 超声等传感器 计算机系统采用 ≥∏ ≥ 二台和 单片机数台 ≥∏ 完成任务规划 根据地图数据库信息进行全局规划 一台 清华大学的 × 系统的车体选用
3 1
移动机器人控制体系结构的研究 移动机器人控制体系结构是实施控制的策略与方法 目前采用的体系结构主要有功能式 所示 功能
水平式 结构和行为式 垂直式 结构以及混合式结构 功能式和行为式结构如图 式结构以 ≤ 的
√
系统和
√
系统为典型代表
≈
它根据信息的流向及行为功能
将机器人的控制过程分解成不同的功能模块 这些功能模块组成了一条闭环链 信息流由环境 经由传感器进入 经规划决策处理后再经由执行机构返回环境 从而实施控制行为 功能式结 构的优点是系统构造层次清晰! 模块功能易执行 并且较易实现高层次的智能行为 缺点是在 系统的每一控制行为都必须经过感知2建模2规划2执行等各模块 延时长 实时性差 另外 由 于各模块串行连接 其中任一模块的故障直接影响整个系统的功能
第
卷第 期 年 月
2 2 2
机器人
ΡΟΒΟΤ
∂
√
文章编号
室外智能移动机器人的发展及其关键技术研究
欧青立
湘潭工学院信息与电气工程系 湖南湘潭
Ξ
何克忠
清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室访问学者
清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室 北京
摘
要 室外智能移动机器人有着广泛的应用前景 是机器人研究中的热点之一 本文分析了在
≥ 3 2
的包容式结构 清华大学 ×
2
的控制即
针对上述两种体系结构的特点 研究人员提出了不少改进措施 较典型的是 ¬ 的 ≈ 它主要由低层反馈控制级和高层智能级构成 高层的命令可以传往 ∏ 提出的混合结构 机器人视觉信息的实时处理技术 机器人视觉系统正如人的眼睛一样 是机器人感知局部环境的重要/ 器官0 同时依此感知
第
卷第
期
欧青立等
室外智能移动机器人的发展及其关键技术研究
似人类智能行为的人工智能 因此 按其功能划分 室外移动机器人可以看作是由机械装置! 行 为控制器! 知识库及传感器系统组成的相互联系! 相互作用的复杂动态系统 室外移动机器人 的研究涉及机械! 控制! 传感器! 人工智能等技术 但主要集中在若干关键技术的研究与突破 这些关键技术主要包括机器人控制体系结构! 路径规划与车体控制技术! 车体的定位系统! 机 器人视觉信息的实时处理技术以及多传感器信息的集成与融合等
图
正在研制中的清华大学 ×
2∂ 机器人
除上面介绍的几种机器人系统外 我国还有很多机构开展了这方面的研究 并且有不少样 机原型问世 如国防科技大学研制的室外移动机器人等
3
室外智能移动机器人研究中的关键技术
室外移动机器人是一个组成结构非常复杂的系统 它不仅具有加速! 减速! 前进! 后退以及
转弯等常规的汽车功能 而且还具有任务分析! 路径规划! 路径跟踪! 信息感知! 自主决策等类
和室内
∏
室外智能移动机器人 又称自主陆地车辆 或无人驾驶车辆与智能机器人
本文简要介绍室外移动机器人的发展状况及几个典型系统 进而论述智能移动机器人研 究中的若干关键技术的研究方法及发展水平
2
智能移动机器人的发展及典型系统
由于室外移动机器人不但在军事上存在特殊的应用价值 而且在公路交通运输中有着广
泛的应用前景 因此引起世界各国的普遍重视 在这方面 美! 德! 法! 日等国走在世界的前列 的支持下 ≤ !≥ 试图研制在非结构化环境中能够自主移动的车辆≈ 年代初期 在美国 ⁄
× 2∂ 系统是清华大学计算机系正在研制的新一代智能移动机器人 兼有面向高速公
路和一般道路的功能 车体采用道奇
座厢式车改装 装备有彩色摄像机! °≥ ! 磁罗盘光码盘
机
器
人
年
月
定位系统! 激光测距仪
≥
等 计算机系统采用 °
∏
计算机两台 其中一台进行视 台 °≤ 工控机分 2∂ 系统的 °≥
觉信息处理 另一台完成信息融合! 路径规划! 行为控制! 决策控制等功能
2
系统属于面向非结构化道路的智能移动机
器人
2 1 ΧΜ Υ 的 ΝαϖΛαβ 系列移动机器人系统
机器人研究所研制的 美国 卡 内 基 # 梅 隆 大 学 ≤ √ ≤ 系列机器人代表了室外移动机器人的发展方向 其典型代表有 2 系统和 √ √ 2 系统 √ 年代建成 其计算机系统由 • ! ≥∏ ! 2 系 ≥∏ 组成 它完成图像处理! 图像理解! 传感器信息融合! 路径规划和车体控制 √ 激光雷达! 超声! 陀螺! 光码盘! °≥ 等 其在 ≤ 校园网 统的传感器包括彩色摄像机! ∞
别完成激光测距信息处理! 定位信息处理! 通讯管理! 驾驶控制等功能 × 采用加拿大 公司生产的 单频 通道实时差分 °≥ 系统 该系统由两台 √
°≥ 接收机! ƒ ≥2 •
电台及
⁄∞
如图 示
所示
≈
该智能车设计车速高速公路为
组成 × 2∂ 智能车测控系统框图 Ù 一般道路为 Ù 其外形如图 所
图
×
2∂ 机器人测控系统框图
Ξ
的
√
2 系统!
收稿日期
机
器
人
年
月
德国联邦国防大学的 ∂
2° 系统! 德国大众汽车公司的 ≤
√ √
系统≈ 系统! ƒ
二是移动机
√ 系统和
器人在非结构化道路 一般道路! 土路! 校园网道路 上的机动性! 灵活性与自然地理环境下的 越野性 其目标应用领域主要是军事 代表成果有 ≤
∞
的
系统等
≈
我国的
系统! ×
√ 2 系统由 ≤
机器人研究所于
道路实验速度为 为
Ù 一般非结构化道路为 ∂ √ 2
Ù 在典型结构化道路情况下运行速度 Ù ≤
Ù 使用神经网络控制器 √ 2 系统由 ≤
控制车体的最高速度为
• ∂
还以吉普 与
√ 2 °≥
车为平台 开发出面向越野的系统 于
• ≥∏
年建成 车体采用 ° 运动跑车 ≤ 技术公司合作开发了便携式高级导航支撑平台 ° ≥ ° √ 其传感器系统包括 视觉传感器 ≥ 彩色摄像机一台 ⁄÷ ≤ 2
系统由德国研究与技术部门与大众汽车公司合作于
√
众公司的 ≤
旅行车 它的研究主要内容是高速公路下的视觉导航 因此其传感器和计
算机系统都是以视觉为主 传感器系统除两台摄像机外 仅安装了一个速度传感器和一个测量 驾驶角的传感器 两台摄像机中一台装有摄远镜头的用来检测障碍 另一台装有广角镜头的用 来检测行车道 执行机构为方向力矩电机和电子油门 计算机系统也是由 × 控等功能 年公布的材料显示系统从识别一帧图像到完成控制的周期为
占总行程的
√
虽然计算机仅控制方向 油门和刹车由人工控制 所示
这个结果仍相当令人鼓舞
2 系统的雄姿见图
图
≤
的
√
2 移动机器人系统
2 2
德国的 ς αΜ οΡ σ−Π 和 Χαραϖελ λ ε 系统 2° 系统由德国联邦国防大学和奔驰汽车公司于 ∂
年代初期制成 车体采用奔驰
第
卷第
期
欧青立等
室外智能移动机器人的发展及其关键技术研究
∗
差分
系统一套 差分模式下定位精度为
光纤阻尼陀螺
光码盘 计算机系统包括一台
微控制器 工作站完成传感器信息处理与融合! 全局与局 ≥ ¬ 便携式工作站和一台 ≤ 部路径规划 ≤ 完成底层车体控制与安全监控 2 在实验场环境道路上自主驾驶 √ 的平均速度为 驾驶的行程为
Ù 公路实验时首次进行了横穿美国大陆的长途自主驾驶实验 其自主
功能性控制结构
行为式控制结构
图
智能移动机器人的控制体系结构
根据移动机器人的行为功能构造控制体系结构 称为行为式结构 它将机器人行为的感 知! 规划! 任务执行等过程封装成一个行为模块 例如将机器人的行为分为停车! 跟踪! 漫游! 避 障等行为功能模块 每一行为实现传感器信息与机器人动作间的一种映射 某一时刻 只有一 种行为控制车体 机器人的最终行为由各行为模块之间的竞争实现 这种控制结构的优点是易 于实现实时控制 系统可靠性比较高 但由于各行为模块之间是松散连接 难于实现高层次的 智能控制 这种控制方法的典型代表是 采用此结构
体识别! 对象状态估计! 行为决策! 控制计算! 方向控制和信息通信! Ù 操作! 数据库操作! 图 主要用于软件开发和人机交互! 数据登录等 ∂ 形显示 两台 °≤ 2 2° 系统已在高速 公路上进行了大量的实验 实验内容有跟踪车道白线! 避障和自动超车等 速度为
≤ √ Ù
年公布的最高 年制成 车体采用大