（3）无地图的导航：是在环境信息完全未知的情况下，可 通过摄像机或其他传感器对周围环境进行探测，利用对探测 的物体进行识别或跟踪来实现导航。
4．卫星导航
移动机器人通过安装卫星信号接收装置，可以实现自身定 位，无论其在室内还是室外。
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7.1.2 导航系统体系结构
智能机器人的导航系统是一个自主式智能系统，其主要任 务是如何把感知、规划、决策和行动等模块有机地结合起来。 下图给出了一种智能机器人自主导航系统的控制结构。
（2）“Where am I going？”—— 目标识别；
（3）“How do I get there？”——路径规划。
为完成导航，机器人需要依靠自身传感系统对内部姿态和 外部环境信息进行感知，通过对环境空间信息的存储、识别、 搜索等操作寻找最优或近似最优的无碰撞路径并实现安全运 动。
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7.1.1 导航系统分类
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7.3 定位
定位是确定机器人在其作业环境中所处位置。机器人可以 利用先验环境地图信息、位姿的当前估计以及传感器的观测 值等输入信息，经过一定处理变换，获得更准确的当前位姿。
移动机器人定位方式有很多种，常用的可以采用里程计、 摄像机、激光雷达、声纳、速度或加速度计等。
从方法上来分，移动机器人定位可分为相对定位和绝对定 位两种。
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接受任务
目标位姿
(xc, yc,c)
全局路径 规划
初始位姿
(x0 , y0 ,0 )
局部路径 规划
传感器 特征提取
摄像头 红外测距 超声测距 激光雷达
构造地图
参考轨迹 生成器
(v1, v2 ) (xt , yt ,t ,vt )
车体运动 控制器
u (v1, v2 )
(xˆ1, yˆ2,ˆ)
车体动力 学补偿
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7.2.2 特征图
1）基本思想 结构化环境中，最常见的特征是直线段、角、边等。 这些特征可用它们的颜色、长度、宽度、位置等参数表示。 基于特征的地图一般用式（7.1）的特征集合表示：
（7.1）
其中 是一个特征(边、线角等)，n是地图中的特征总 数。、
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2）特点
特征法定位准确，模型易于由计算机描述和表示，参 数化特征也适用于路径规划和轨迹控制，但特征法需要 特征提取等预处理过程，对传感器噪声比较敏感，只适 于高度结构化环境。
3. 视觉导航
依据环境空间的描述方式，可将移动机器人的视觉导航方 式划分为三类。
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（1）基于地图的导航：是完全依靠在移动机器人内部预先 保存好的关于环境的几何模型、拓扑地图等比较完整的信息， 在事先规划出的全局路线基础上，应用路径跟踪和避障技术 来实现的；
（2）基于创建地图的导航：是利用各种传感器来创建关于 当前环境的几何模型或拓扑模型地图，然后利用这些模型来 实现导航；
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7.2.3 网格图 1）基本思想
网格图把机器人的工作空间划分成网状结构，网格中的每 一单元代表环境的一部分，每一个单元都分配了一个概率值， 表示该单元被障碍物占据的可能性大小。
2）特点
网格法是一种近似描述，易于创建和维护，对某个网格的 感知信息可直接与环境中某个区域对应，机器人对所测得的 障碍物具体形状不太敏感，特别适于处理超声测量数据。但 当在大型环境中或网格单元划分比较细时，网格法计算量迅 速增长，需要大量内存单元，使计算机的实时处理变得很困 难。
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1）系统误差 系统误差在很长的时间内不会改变，和机器人导航的外界 环境并没有关系，主要由下列因素引起： （1）驱动轮直径不等； （2）驱动轮实际直径的均值和名义直径不等； （3）驱动轮轴心不重合； （4）驱动轮间轮距长度不确定； （5）有限的编码器测量精度； （6）有限的编码器采样频率。
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7.2.4 直接表征法
1）基本思想 通过记录来自不同位置及方向的环境外观感知数据，这些 图像中包括了某些坐标、几何特征或符号信息，利用这些数 据作为在这些位置处的环境特征描述。 直接表征法与识别拓扑位置所采用的方法原理上是一样的， 差别仅在于该法试图从所获取的传感器数据中创建一个函数 关系以便更精确地确定机器人的位姿。 2）特点 直接表征法数据存贮量大，环境噪声干扰严重，特征数据 的提取与匹配困难，其应用受到一定限制。
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第7章 智能机器人自主导航与路 径规划
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7.1 概述
导航，最初是指对航海的船舶抵达目的地进行的导引过程。 这一术语和自主性相结合，已成为智能机器人研究的核心和 热点。
Leonard和Durrant-Whyte将移动机器人导航定义为三个子 问题：
（1）“Where am I？” ——环境认知与机器人定位；
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7.2.1 拓扑图
1）基本思想 地铁、公交路线图均是典型的拓扑地图实例，其中停靠站 为节点，节点间的通道为边。在一般的办公环境中，拓扑单 元有走廊和房间等，而打印机、桌椅等则是功能单元。连接 器用于连接对应的位置，如门、楼梯、电梯等。 2）特点 拓扑图把环境建模为一张线图表示，忽略了具体的几何特征 信息，不必精确表示不同节点间的地理位置关系，图形抽象， 表示方便。
对于不同的室内与室外环境、结构化主要有磁导航、 惯性导航、视觉导航、卫星导航等。
1. 磁导航
磁导航是在路径上连续埋设多条引导电缆，分别流过不同 频率的电流，通过感应线圈对电流的检测来感知路径信息。
2. 惯性导航
惯性导航是利用陀螺仪和加速度计等惯性传感器测量移动 机器人的方位角和加速率，从而推知机器人当前位置和下一 步的目的地。
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7.3.1相对定位
相对定位又称为局部位置跟踪，要求机器人在已知初始位 置的条件下通过测量机器人相对于初始位置的距离和方向来 确定当前位置，通常也称航迹推算法。
相对定位只适于短时短距离运动的位姿估计，长时间运动 时必须应用其它的传感器配合相关的定位算法进行校正。
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1. 里程计法 里程计法是移动机器人定位技术中广泛采用的方法之一。 在移动机器人的车轮上安装光电编码器，通过编码器记录的 车轮转动圈数来计算机器人的位移和偏转角度。 里程计法定位过程中会产生两种误差。
地图匹配
实时数据处理 （信息融合） 位姿估计
车体 测量位姿、速度
运动学 (x, y, , v)
里程计
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7.2 环境地图的表示
构造地图的目的是用于绝对坐标系下的位姿估计。地图的 表示方法通常有四种：拓扑图、特征图、网格图及直接表征 法(Appearance based methods)。不同方法具有各自的特点 和适用范围，其中特征图和网格图应用较为普遍。