对于移动机器人,定位技术是保证移动机器人轨迹/运动作业的前提技术,特别是跟踪作业的基础。
与自动驾驶车辆定位不同,小型移动机器人更需要的是定位精度。根据作业环境,小型移动机器人定位技术可以视为室内定位系统(Indoor Location System, ILS)。小型移动机器人定位技术不同于机械加工领域的定位技术,从关键词上可以明显区别“Location/Localization”与“Position/Positioning”。Localization 指的是机器人在作业空间内的自身的位置关系问题,position 是会指向更精密的点问题。
本文的主要内容包括:室内定位测量原理(物理属性)[1],室内定位技术,定位模型方法,定位算法,定位系统评价因子,基于惯导的定位系统,基于无线电网络的定位技术,集群定位算法。
室内定位测量原理
无线电频谱与电磁波
(1)个人或区域互联网,包括IEEE 802.11, Ultra-Wideband (UWB),ZigBee, 或者 Bluetooth。
(2)区域广播网络,包括定位目的的网络,例如GPS/GNSS,以及具有定位功能多的网络,例如智能手机网络、电视广播信号。
(3) RFID 标签(4)雷达光子能场(1)图像分析,自然特征提取与识别(场景图片)
(2)图像分析与特征点标记(二维码定位)
此外,还有声波、机械能(惯性/接触)、地球磁场、大气压。
无线电室内定位系统分类[2]
室内定位技术
室内定位服务系统Indoor Location Based Services (ILBS)可以简单地分为三类[3]:
1、网络系统:基于无线网络
2、惯性系统:机载惯导系统预估定位
3、混合系统:融合无线网络与惯性系统的混合系统
室内定位模拟方法分类
1、angle of arrival(AoA) 技术:根据到达信号角度
2、time of arrival(ToA) 技术:根据到达信号时间(类似雷达测距)
3、fingerprinting 技术,即特征技术
室内定位模拟算法
1、三角定位(Triangulation),需要借助固定基站或者已知基站位置信息,GPS等无线网络定位法。
2、邻近(Proximity), 使用具有有限的感知范围和分析能力的传感器,RFID。
3、场景分析(Scene analysis),利用场景画面中的特征完成定位分析,点云和3D重构技术,机器视觉。
4、航位推算(Dead reckoning),基于先验信息推算出运动轨迹,惯导、捷联惯导。
按照文献[5],基于静态传感器节点的定位技术广泛应用于移动机器人跟踪功能,定位算法可总结为:
1、范围基定位(Range-based localization)
1、机器学习方法 Machine Learning Based Methods:
least square support vector machine and Gaussian processes ,Semi-supervised Laplacian regularized least squares method and HMM based RSS-EKF (Extended Kalman Filter) method using RSS
2、集中和分布式方法Centralized and Distributed Methods
3、多传感器数据融合方法Multi-Sensor Data Fusion Methods
4、采指纹方法Fingerprinting Based Methods
1、聚类跟踪算法 Cluster-based tracking methods, dynamic clustering algorithm for target tracking
2、预测跟踪算法 Prediction-based tracking methods
3、树基跟踪算法 Tree-based tracking methods
4、主动跟踪算法 Activation-based tracking method
5、Mobicast基跟踪算法 Mobicast-based tracking method
室内定位方法评价
1、精度与误差
2、环境适应性。场景对定位系统测量精度影响,一个高性能框架能够避免对重复定位差异
3、消耗:带宽、寿命、能耗、权重与额外设备
4、基站数量
基于惯导的定位系统
参考下图,惯导定位系统通过二次积分获得定位信息[6]
一个经典的具有定位功能的移动机器人控制系统架构如下图所示,该系统通过无线电、里程计以及惯性测量单元实现自定位功能[7]。
微型惯性测量单元,包括陀螺仪、加速度计、磁偏角计、温度和气压等功能,通过物理模型和误差模型推算。
扩展卡尔曼滤波算法EKF与粒子滤波器是移动机器人群体定位中最为广泛,尤其在RoboCup等机器人大赛[7]。
基于无线电定位系统
参考[8]
基于ZigBee组件的微型定位系统
集群定位系统
参考文献[9][10],集群类机器人定位技术,不仅可以依靠静态基站进行定位,还可以利用机器人之间无线电终端辅助其它终端进行定位。
算法1 [9]
因为集群定位存在很大的噪声干扰,因此需要对采集到的信息进行去噪处理,或者提高系统抗干扰能力,采用统计算法提高定位系统精度。如在文献[10],采用了卡尔曼滤波器对定位优化。
文献[10]-算法1
文献[10]-算法2
文献[10]-算法3