使用航位推測法來解決導航的挑戰(zhàn)

隨著自動化的周邊技術進步，小型掃地機器人的導航方式也不斷提升。而機器人的航位推測法，就是最新的關鍵技術。在導航中，航位推測法是從已知的起始位置開始，搭配隨時間改變的內(nèi)部速度和前進方向估算，來估測出一個位置，其中不需要任何外部參照物。用于機器人航位推測法的典型傳感器包括用滾輪旋轉(zhuǎn)來估算速度的滾輪編碼器、根據(jù)觀察到的地板樣式來估計速度的光流傳感器 （類似計算機鼠標中使用的傳感器），以及測量面向位置和加速的 IMU。航位推測法是由這些傳感器提供的綜合信息所計算而成。

 
圖一 : 小型掃地機器人的導航方式也不斷提升，而機器人的航位推測法，就是最新的關鍵技術。

這些航位推測法的運算法已實際應用在機器人中，并且逐漸超越知名的隨機漫步 （在地板上以看似隨機模式移動的機器人）。這些機器人會運用智慧漫步，這是一種更先進的清潔方法，即利用航位推測法依照經(jīng)計算的模式移動。航位推測法是它們導航信息的主要來源，也能讓這些機器人更有效地清潔表面，并節(jié)省電池壽命。對消費者而言，它能有效清潔以節(jié)省時間；對于 OEM 廠商，它不需要 LIDAR 或昂貴的相機 （在 VLAM 系統(tǒng)中），進而節(jié)省 BOM 成本。

即使是在更先進的 VSLAM 和 LIDAR 系統(tǒng)中，航位推測法依然占有關鍵地位。VSLAM 式解決方案仰賴相機來計算器器人的位置。相機通常指向前方或上方的角度，找出各種邊緣或?qū)ο髞矶ㄎ黄湮恢?。但是，如果機器人進入光線不足的區(qū)域 （如床底或沙發(fā)下），就會失去可利用的視覺線索，因而迷路。進入沒有特別裝飾的房間 （譬如四面皆是白色墻面） 也會發(fā)生同樣的狀況。當機器人越過門坎或參差不齊表面時，LIDAR 系統(tǒng)會遺失信息，創(chuàng)造出同樣不均勻的世界。航位推測法填補這些關鍵時刻的定位空白信息，并維持正確的路線。

各傳感器的用途與挑戰(zhàn)
航位推測法似乎可以透過自動化導覽解決許多問題，這點毫無疑問，但航位推測法本身并非沒有難題待解決。隨著時間流逝，由于內(nèi)部估計誤差 （速度和面向位置），透過航位推測法計算出的位置將偏離真實位置。每個傳感器都會有影響輸出準確性的自身狀況。

滾輪編碼器雖然可以追蹤滾輪的旋轉(zhuǎn)狀況 （以輪軸為中心移動的距離或速度），并直接轉(zhuǎn)化為線性位移。但這是最理想的狀況。在現(xiàn)實世界中，滾輪可能會因為軟質(zhì)表面和地表變化而滑移或打滑。在這些滑移或打滑期間，滾輪會比機器人移動得更遠或更近。滾輪編碼器的讀數(shù)會準確反映滾輪的行為，但那并非機器人的確切位置。

 
圖二 : 實際數(shù)目:83cm ; 被察覺的數(shù)目: 93 cm

光流傳感器是可以在計算機鼠標中找到的傳感器。光流傳感器使用LED 或雷射光來查看其影像中的相對變化。如果影像中有特定的子像素組一起移動 （或流動），它會提供傳感器整體移動方向的信息。您的計算機鼠標幾乎都會在平坦光滑的表面上使用，因此其狀況和輸出結果可達到穩(wěn)定一致。但機器人會在不同的地板上移動，根據(jù)地板與傳感器之間的高度差異及傳感器的類型，提供不同的信息。某些地板搭配 LED（較粗糙）的運作效果較佳，其他則是搭配雷射（較平坦）的效果較佳。為了讓機器人從光流傳感器取得最佳信息，校正傳感器以配合地面高度和地板種類可說是至關重要。

 
圖三 : 慣性量測單元（IMU）會測量加速度和角速度，并轉(zhuǎn)換為前進方向和傾斜信息。

慣性量測單元（IMU）是正如其名專門設計的傳感器。它們會測量加速度和角速度，并轉(zhuǎn)換為前進方向和傾斜信息。我在前一篇文章提到，面向位置的準確性對機器人來說很重要，因為這樣才能找出前進的方向。傾斜信息有助于防止機器人往墻面上爬，或因為椅子太高而卡住。IMU 對傳感器一致性方面有其挑戰(zhàn)。它們會受到溫度影響，需要校準才能正確使用。

結合一切要素
為了建立精確的航位推測算法，每個傳感器都必須經(jīng)過校準，以提供精確的信息。這項工作本身就有其難度，而要讓這些傳感器互相融合更增添了復雜程度。藉由比較滾輪編碼器信息和 IMU 和光流傳感器，可偵測到滑移和打滑的情況并忽略相關信息。同理，光流法也可以透過比較其流向與滾輪編碼器預期的線性動作來進行動態(tài)校準。利用 IMU 來檢查在平滑表面上的一致性，可提高對測量的信心程度。除了持續(xù)監(jiān)控溫度對于性能的影響，這也能維持對傳感器的掌控。傳感器融合的價值在于隨時了解哪些傳感器信息最值得信賴，藉此盡量展現(xiàn)最佳成效。如您所見，盡管我還未全部列舉出來，但航位推測法的程序已包含許多復雜議題。

航位推測法是強大的工具，可用于任何地面模式的機器人，比起進階的 VSLAM 或 LIDAR 系統(tǒng)更能展現(xiàn)高效率。它可以利用智慧漫步縮短清潔時間，也可以在不良的環(huán)境之下，為復雜的 SLAM 算法增加韌性。精心結合滾輪編碼器、光流傳感器和 IMU 來實現(xiàn)航位推測法。

當您發(fā)現(xiàn)在地板上看似簡單的清掃模式竟是如此復雜程序的成果，可能會大吃一驚，但所看到這些流暢的成果，正是許多傳感器和傳感器融合所實現(xiàn)的心血結晶。在此情況下，至少總體是大于個體的總和。