机器人家族的成长奋斗史

  机器人可以追溯到上个世纪50年代，一位计算机科学家、数学家阿兰·图灵提出了图灵测试，又称为模仿游戏，这可以称之为机器人最早的雏形。而真正意义上的机器人出现在1959年，美国人英格伯格和德沃尔制造出了世界上第一台工业机器人，这台机器人外形像一个坦克的炮塔，基座上有一个可转动的大机械臂，大臂上又伸出一个可以伸缩和转动的小机械臂，能进行一些简单的操作，代替人做一些诸如抓放零件的工作。（摘自网络）

  现如今的机器人已经发展成各种样式，拥有多种功能，并且还在持续不断变得更加强大更加智能。为了更好地记忆，小编用《机器人总动员》中可爱的“瓦力”（小编以为读wa平声，li轻声最符合机器人语言）为机器人代名。

  这只瓦力要活动要玩耍，需要解决三个问题：它在哪儿？它想要去哪儿？它怎么去？

  要解决瓦力遇到的这三个问题，通常会采用导航的方式，这里小编想要介绍机器人家族成长奋斗过程中的几种导航方式：二维码导航、磁导航、激光导航和自然导航。

  有人说，最难以让机器人实现的是人最容易做到但很难用语言描述清楚的动作，小编颇为赞同。首先，工程师为瓦力画出一幅专属它活动区域的路径规划小地图，通过机器人导航及算法，瓦力可以在它的地图里有限定或自由地行走，这过程中，它还会对各种动态或静态的障碍物进行识别与判断，以避免不必要的“冲突”。那具体这几种方式是如何引导瓦力的，小编通过搜集各种资料和学习，整理过后以通俗的语言与大家分享。

  01、二维码导航

  二维码导航，顾名思义需要通过二维码进行导航，即在瓦力活动区域内，按照限定的路径，铺设一路一定间隔的二维码，配合单轴陀螺仪校正航向角度。瓦力本体上装备可以读取识别二维码的摄像头，在通过开发工程师的算法，它可以实现从一个二维码到另一个（1,2，……,n），达到从起始到目的地的有限的活动。

  这种方式的优势是定位精确，小巧灵活，铺设、改变路径也较容易，便于控制通讯，对声光亦无干扰。缺点是施工较大，路径需要定期维护，如果场景稍复杂，则需要较为频繁维护或更新二维码，对陀螺仪的精度和使用寿命有严格要求，要求场地有一定的平整度。

  02、磁导航

  磁导航一般配合磁条、磁钉或者电缆使用，不管是磁条、磁钉还是电缆，都需要预先铺设行进路线、工位或者其它动作区域。

  瓦力在接收到活动指令后，按照预设指令，分析起点至终点的路径，规划出最佳行走路径，沿着铺设的磁条、磁钉或电缆行走至指定位置。

  这种导航方式的优点是导引原理简单可靠，便于控制通讯，对声光无干扰，投资成本较低。缺点是施工较大，需定期维护或更换受到污染和破损的磁条、磁钉或电缆，否则会极大影响机器人行走路径，改变或扩充路径较麻烦，铺设相对困难。

  03、激光导航

  激光导航又分为基于反射板导航和无反射板导航（自然导航）。

  基于反射板导航的原理相对简单一些。在瓦力的活动路线周围一定距离间隔内布置反射板，瓦力身上配备激光扫描仪发射激光束，同时采集由反射板反射回来的激光束。根据反射回来的多个激光束数据（最少同时获取三个反射板的数据），可以确定瓦力在当前环境中的位置和航向，并配合运动控制器及控制算法来实现它的自动行驶。

  基于反射板的激光导航优点在于定位精确，无需铺设地面辅助定位设施，行驶路径可以灵活改变。缺点是激光导航控制复杂，技术成本较为昂贵，反射板以及激光传感器之间不能有障碍物，反射板需定期维护。

  04、自然导航

  所谓自然导航、无反射板导航的大概都是一样地基于SLAM的导航原理。SLAM（simultaneous localization and mapping）即同步定位与建图，是指在未知的环境中，机器人通过自身所携带的传感器（编码器、IMU等）和外部传感器（激光传感器或者视觉传感器）来对自身进行定位，并在定位的基础上利用外部传感器获取的环境进行信息增量式的环境地图构建。

  自然导航是一种不需要对基础设施进行任何调整，也无需任何地面标记的导航技术，是基于现有环境实现的导航。自然导航的实现路径为，机器人在未知环境中某一位置出发，通过环境感知传感器（激光扫描仪）持续扫描周围场景，并判断所在环境中各类标识地物的自然特征，持续进行数据集成和融合分析，进行自主定位的同时建立连续的环境地图，并在此基础上实现移动机器人的路径规划、导航与避障功能，完成路径行驶。

  自然导航也存在一些技术难点，SLAM算法较为复杂；从二维到三维再到多维融合的过程较难实现；多台机器人的同时的联合作业涉及的调度较为复杂。

  基于环境的自然导航方式是必然趋势，因为人工设置路标需要较长的安装时间和环境改造成本，而要解决这个问题，就需要在环境地图未知的情境下，通过更丰富的智能感知系统，借助自然本来就具有的环境特征，实现移动机器人的自主定位和导航。这正是自然导航完胜二维码和磁导航方式的地方。

  当然，瓦力除了设置了路径规划、导航、避障功能外，还具备自主充电、各种功能性应用，在这里，小编不多做铺述。瓦力还有很多同门师兄、师弟、师姐、师妹，也不再多做扩展。

  附几种导航方式的原理及优劣势分析表：