一、引言
智能自主移动机器人系统能够通过传感器感知外界环境和自身状态，实现在有障碍物环境中面向目标的自主运动，从而完成一定作业功能。其本身能够认识工作环境和工作对象，能够根据人给予的指令和“自身”认识外界来独立地工作，能够利用操作机构和移动机构完成复杂的操作任务。因此，要使智能移动机器人具有特定智能，其首先就须具有多种感知功能，进而进行复杂的逻辑推理、规划和决策，在作业环境中自主行动。机器人在行走过程中通常会碰到并且要解决如下三个问题：（1）我（机器人）现在何处？（2）我要往何处走？（3）我要如何到达该处？其中第一个问题是其导航系统中的定位及其跟踪问题，第二、三个是导航系统的路径规划问题。移动机器人导航与定位技术的任务就是解决上面的三个问题。移动机器人通过传感器感知环境和自身状态，进而实现在有障碍物的环境中面向目标自主运动，这就是通常所说的智能自主移动机器人的导航技术。而定位则是确定移动机器人在工作环境中相对于全局坐标的位置及其本身的姿态，是移动机器人导航的基本环节。
目前，应用于自主移动机器人的导航定位技术有很多，归纳起来主要有：安装CCD 摄像头的视觉导航定位、光反射导航定位、全球定位系统GPS(Global Positioning System)、声音导航定位以及电磁导航定位等。下面分别对这几种方法进行简单介绍和分析。
二、主移动机器人常用的导航定位方法
1、视觉导航定位
在视觉导航定位系统中，目前国内外应用较多的是基于局部视觉的在机器人中安装车载摄像机的导航方式。在这种导航方式中，控制设备和传感装置装载在机器人车体上， 图像识别、路径规划等高层决策都由车载控制计算机完成。视觉导航定位系统主要包括：摄像机（或CCD 图像传感器）、视频信号数字化设备、基于DSP 的快速信号处理器、计算机及其外设等。现在有很多机器人系统采用CCD 图像传感器，其基本元件是一 行硅成像元素，在一个衬底上配置光敏元件和电荷转移器件，通过电荷的依次转移，将多个象素的视频信号分时、顺序地取出来，如面阵CCD传感器采集的图像的分辨率可以从32×32 到1024×1024 像素等。视觉导航 定位系统的工作原理简单说来就是对机器人周边的环境进行光学处理，先用摄像头进行图像信息采集，将采集的信息进行压缩，然后将它反馈到一个由神经网络和统计学方法构成的学习子系统，再由学习子系统将采集到的图像信息和机器人的实际位置联系起来，完成机器人的自主导航定位功能。
视觉导航定位中，图像处理计算量大，计算机实时处理的速度要达到576MOPS~5.76BOPS，这样的运算速度在一般计算机上难以实现，因此实时性差这一瓶颈问题有待解决；
另外，对于要求在黑暗环境中作业的机器人来说，这种导航定位方式因为受光线条件限制也不太适应。
当今国内外广泛研制的竞赛足球机器人通常都采用上面所说的视觉导航定位方式，在机器人小车子系统中安装摄像头，配置图像采集板等硬件设备和图像处理软件等组成机器人视觉系统。通过这个视觉系统，足球机器人就可以实现对球的监测，机器人自身的定位，作出相应动作和预测球的走向等功能。
2、光反射导航定位
典型的光反射导航定位方法主要是利用激光或红外传感器来测距。激光和红外都是利用光反射技术来进行导航定位的。
激光全局定位系统一般由激光器旋转机构、反射镜、光电接收装置和数据采集与传输装置等部分组成。工作时，激光经过旋转镜面机构向外发射，当扫描到由后向反射器构成的合作路标时，反射光经光电接收器件处理作为检测信号，启动数据采集程序读取旋转机构的码盘数据（目标的测量角度值），然后通过通讯传递到上位机进行数据处理，根据已知路标的位置和检测到的信息，就可以计算出传感器当前在路标坐标系下的位置和方向，从而达到进一步导航定位的目的。
图1 是一个LDSR 激光传感器系统原理框图。激光测距具有光束窄、平行性好、散射小、测距方向分辨率高等优点，但同时它也受环境因素干扰比较大，因此采用激光测距时怎样对采集的信号进行去噪等也是一个比较大的难题，另外激光测距也存在盲区，所以光靠激光进行导航定位实现起来比较困难，在工业应用中，一般还是在特定范围内的工业现场检测，如检测管道裂缝等场合应用较多。
红外传感技术经常被用在多关节机器人避障系统中，用来构成大面积机器人“敏感皮肤”，覆盖在机器人手臂表面，可以检测机器人手臂运行过程中遇到的各种物体。典型的红外传感器工作原理如图2 所示。该传感器包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管。由红外发光管发射经过调制的信号，红外光敏管接收目标物反射的红外调制信号，环境红外光干扰的消除由信号调制和专用红外滤光片保证。设输出信号Vo 代表反射光强度的电压输出，则Vo 是探头至工件间距离的函数：
Vo=f(x，p) （1）
式中，p—工件反射系数。p 与目标物表面颜色、粗糙度有关。x—探头至工件间距离。
当工件为p 值一致的同类目标物时，x 和Vo 一一对应。x可通过对各种目标物的接近测量实验数据进行插值得到。这样通过红外传感器就可以测出机器人距离目标物体的位置，进而通过其他的信息处理方法也就可以对移动机器人进行导航定位。
虽然红外传感定位同样具有灵敏度高、结构简单、成本低等优点，但因为它们角度分辨率高，而距离分辨率低，因此在移动机器人中，常用作接近觉传感器，探测临近或突发运动障碍，便于机器人紧急停障。
3、GPS 全球定位系统
GPS 全球卫星定位系统是利用环绕地球的24 颗卫星，准确计算使用者所在位置的庞大卫星网络定位系统。GPS 系统包括三大部分：空间部分—GPS 卫星，地面控制部分—地面监控系统，用户设备部分—GPS 信号接收机。每颗卫星距离地面约17,000km，能连续发射一定频率的无线电信号，在地球的任一地点能向使用者提供4 颗以上卫星的信号。该信号是GPS 向广大用户发送的用于导航定位的载波，它一般包括三种信号分量：载波、测距码、数据码，只要持有便携式信号接收仪，则无论身处陆地、海上还是空中，都能收到卫星发出的特定信号。接收仪中的电脑只要选取4 颗或4 颗以上卫星发出的信号进行分析，就能确定接收仪持有者的位置。如今，在智能机器人的导航定位技术应用中，一般采用伪距差分动态定位法，用基准接收机和动态接收机共同观测4 颗GPS 卫星，按照一定的算法即可求出某时某刻机器人的三维位置坐标。差分动态定位消除了星钟误差，对于在距离基准站1000km 的用户，可以消除星钟误差和对流层引起的误差，因而可以显著提高动态定位精度。但是因为在移动导航中，移动GPS 接收机定位精度受到卫星信号状况和道路环境的影响，同时还受到时钟误差、传播误差、接收机噪声等诸多因素的影响，因此，单纯利用GPS 导航存在定位精度比较低、可靠性不高的问题，所以在机器人的导航应用中通常还辅以磁罗盘、光码盘和GPS 的数据进行导航。另外，GPS 导航系统也不适应用在室内或者水下机器人的导航中以及对于位置精度要求较高的机器人系统。
GPS 导航定位技术应用已经非常广泛，除了最初的军事领域中外，在民用方面也得到了广泛的应用，例如城市中的车辆查找跟踪等都是基于GPS 的导航定位原理。而在机器人应用中，一般还都是军事目的，例如美国研制的军用扫雷机器人和侦察机器人就是利用GPS 来进行导航定位的。
4、超声波导航定位
超声波导航定位的工作原理也与激光和红外类似，通常是由超声波传感器的发射探头发射出超声波，超声波在介质中遇到障碍物而返回到接收装置。通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收时间差及传播速度，计算出传播距离S，就能得到障碍物到机器人的距离，即有公式：
S=Tv/2 （2）
式中，T—超声波发射和接收的时间差；
v—超声波在介质中传播的波速。
当然，也有不少移动机器人导航定位中用到的是分开的发射和接收装置，在环境地图中布置多个接收装置，而在移动机器人上安装发射探头。
在移动机器人的导航定位中，因为超声波传感器自身的缺陷，如：镜面反射、有限的波束角等，给充分获得周边环境信息造成了困难，因此，通常采用多传感器组成的超声波传感系统，建立相应的环境模型，通过串行通信把传感器采集到的信息传递给移动机器人的控制系统，控制系统再根据采集的信号和建立的数学模型采取一定的算法进行对应数据处理便可以得到机器人的位置环境信息。
由于超声波传感器具有成本低廉、采集信息速率快、距离分辨率高等优点，长期以来被广泛地应用到移动机器人的导航定位中。而且它采集环境信息时不需要复杂的图像配备技术，因此测距速度快、实时性好。同时，超声波传感器也不易受到如天气条件、环境光照及障碍物阴影、表面粗糙度等外界环境条件的影响。超声波进行导航定位已经被广泛应用到各种移动机器人的感知系统中。
笔者目前正在研究的液下搅拌机器人要工作在水煤浆介质里，在这种环境下要实现机器人车体的检测定位和实时控制，综合各种因素考虑就要采用超声波进行传感定位。图3所示的就是该超声波导航定位系统布置图，小车在罐底作圆周运动，在车上左右两侧各安装一发射探头，其声波信号被安装在按罐壁圆周均布的八个接收装置定时接收，然后再通过超声换能器和信号处理电路等对信号进行放大、滤波处理，最后通过数据线和数据卡把采集的信号传递给上位机进行计算，从而就可以得到每时每刻机器人小车行走到达的确切位置，上位机再根据计算得出的结果对小车工作状况进行分析，又反过来通过PMAC 卡（多轴运动控制卡）控制与小车相联的电机，通过调整两个小车驱动轮的转速来控制小车的运动，最终实现该机器人小车的导航定位和实时控制。
该传感定位系统的实现难点就在于超声波在水媒浆介质里传导距离有限（一般仅为10m多，而罐的直径大的有40m），另外超声波也存在盲区，就有可能导致在某些位置存在收不到信号的现象，还有就是对信号的去噪处理也是一大难题。
三、其他
以上简单描述了几种典型的导航定位的方法及所采用的传感器的工作原理，当然在实际应用中还有用到其它方法进行导航定位的，如在机器人行走规划路径上布置感应线圈，通过在机器人身上安装感应装置来进行电磁感应，根据不同的电流信号来决定机器人所在的位置。也有由于单一传感定位方法不能保证足够的精度，而在某种场合下采用上述几种传感器进行多传感信息融合的，这样便于并行快速地分析现场环境，而且在某一传感器发生故障时，可以迅速进行重组，保证机器人始终正常工作。
四、结论
导航定位技术是智能机器人所要解决的核心技术之一，迄今为止其手段主要为图象、光、声、电磁等原理方法的运用，根据机器人工作的空间环境、介质性质、行走距离、定位精度、对信号的敏感性等方面要求，确定解决问题的合理方式是其重点。我们的研究针对浆液下搅拌机器人的特点，提出了拟采用超声波传感定位系统的初步方案。
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