《服务机器人基础》 课件 第5、6章 服务机器人定位和导航技术、 服务机器人通信技术

§5-1服务机器人定位技术01§5-2SLAM技术与服务机器人导航02145§5-1

服务机器人定位技术146一、服务机器人定位技术基础知识服务机器人定位技术是指在室内或室外环境中，通过使用各种传感器、算法和技术手段，确定机器人自身的位置和方向的技术。其原理是通过收集内部传感器和外部传感器采集的数据，将这些数据与环境模型进行匹配，最终确定机器人的位置和运动方向。147二、常用的服务机器人定位技术1. 基于无线信号强度的定位室内环境中，常用的无线信号包括Wi-Fi信号、蓝牙信号、ZigBee（一种可以让多个小型设备互相连接，形成一个网络的无线通信技术）信号等。若已知这些信号源的位置，服务机器人可以通过接收这些信号并计算信号强度来确定自身的位置。148Wi-Fi定位应用最为广泛。这是一种基于无线网络信号的定位技术，通过检测周围Wi-Fi热点或基站的信号强度来确定设备所在的位置。这种定位方式一般采用“近邻法”判断，即判断离哪个热点或基站最近，就认为设备处于该位置。Wi-Fi定位具有扩展性强、数据自动更新、成本低等优点。但是，Wi-Fi热点受到周围环境影响较大，定位精度相对较低。为了提高定位精度，可以事先在数据库中存入大量已知位置点的信号强度，并将其与服务机器人检测到的环境信号强度做对比，从而确定服务机器人的位置。149室外环境中，也可以利用无线网络信号来进行定位。服务机器人可以利用内置的终端设备接收到来自不同移动通信网络基站的无线信号，每个基站的信号强度和时间差会随着移动终端距离基站的远近而改变。通过测量多个基站信号的强度和时间差，可以估算出移动终端的位置。这种定位技术的优点是无需安装额外的硬件设备，仅需利用已有的基站和无线网络设施，即可实现相对准确的定位。该技术也存在缺点，其定位精度会受到无线信号的干扰和衰减的影响，因此需要在实际使用中进行精度测试和优化。1502. 基于惯性测量的定位基于惯性测量的定位是指通过测量机器人的加速度和角速度，计算机器人在空间中的位置和运动方向。这种技术依靠惯性测量单元（IMU）实现。惯性测量单元通常包含三轴加速度传感器和三轴陀螺仪，测量机器人在三个方向的加速度和角速度，以计算机器人的位置和方向。3. 视觉定位视觉定位是指利用摄像头或激光雷达等设备获取室内环境信息，并通过对所获取信息进行处理和分析，实现机器人的定位。视觉定位主要包括基于特征和基于几何形状两种方法。1514. 基于里程计的定位基于里程计的定位是指通过测量服务机器人底盘轮子转速或步幅、步数，计算机器人的运动距离，再根据初始位置信息和运动距离进行位置测算。这种方法常用于在室内平坦地面运动的服务机器人定位。5. 使用全球卫星导航系统定位使用全球卫星导航系统定位，就是通过服务机器人内置的接收机接收导航卫星发射的信号，计算信号传输时间，进而计算出自身位置。中国的北斗卫星导航系统是世界上主要的全球卫星导航系统之一。152§5-2

SLAM技术与服务机器人导航153一、SLAM技术的工作流程1. 传感器数据采集通过搭载的多种传感器设备（如摄像头、激光雷达、惯性测量单元等）对周围环境进行感知，获取机器人当前的位置信息和环境地图。传感器采集到的数据包括机器人运动信息、距离测量数据、图像信息等。数据采集的效果和传感器的精度、采集频率，以及传感器在不同环境中的适应性和稳定性有关。由于不同传感器采集的数据存在误差和噪声，需要进行数据预处理和校正。此外，数据的实时性和存储方式必须符合要求，以保证数据能够有效地用于SLAM算法的实现。1542. 特征提取为了使服务机器人感知周围环境，需要从传感器采集到的数据中提取出具有辨识度的、具有代表性的特征点，用于后续定位和构建地图。特征提取的作用是降低数据量，减少计算量，提高系统的运行速度和效率。在进行特征提取时需要注意不同的特征提取算法适用于不同的场景和不同的传感器数据类型，同时也需要考虑算法在内外部情况变化时的稳定性和计算复杂度等因素。155以下是三种常用的特征提取算法：SIFT算法适用于处理视角变化、尺度变换、部分遮挡和光照变化场景的特征提取。SURF算法是在SIFT算法的基础上进行改进的特征提取算法，提升了识别速度，但在旋转变化和视角变化场景中的功能稳定性较弱。ORB算法是一种结合角点检测与特征描述的高效图像特征提取算法。相较于SIFT和SURF，ORB算法更快速，适合于需要实时处理的场景。1563. 数据关联数据关联就是将来自不同时间和传感器的数据进行匹配和融合，为构建机器人周围的环境地图做准备。具体说，就是通过特定算法在当前采集的特征点数据集与前期相应的数据集之间找到最佳的匹配点，从而生成一组匹配的点对。这些点对可以用来计算服务机器人的位姿，及其相对于先前观测到的环境的变化。在进行数据关联时，需要注意特征点提取的精确度和速度，以及算法在内外部情况变化时的稳定性和准确性。1574. 位姿估计位姿估计一般分为两种方法：基于特征点的方法和基于滤波器的方法。基于特征点的方法就是在数据关联的基础上，计算服务机器人的位姿。但是，进行位姿估计时，各种干扰会对估计结果产生影响，因此需要对估计结果进行校正和滤波处理，以提高估计的精度和稳定性。这就是采用基于滤波器的方法的原因。该方法利用服务机器人的运动模型（包括运动距离、转动角度等数据），通过不断更新和迭代，提高位姿估计的精度。1585. 构建地图在数据关联和位姿估计的基础上，服务机器人常用以下三种算法确认自身的位置并构建地图。●

八叉树算法：八叉树是一种树形结构，可以将三维空间划分为8个同等大小的立方体，将空间中的点云数据存储到对应的八叉树节点中。该方式可以更加高效地构建地图并进行点云数据管理。159●

栅格算法：将平面空间划分为一系列大小相等的正方形网格，即栅格。通过将传感器采集的数据投影到栅格中，可以构建出服务机器人所在环境的栅格地图，并在地图中较为充分地表示环境信息，如障碍物、走廊等。这种算法所需的存储空间较小，还能够用于路径规划。●

卡尔曼滤波：将不同传感器采集的数据融合到一起，以提高定位和建图的准确性。1606. 循环监测与优化当机器人在环境中移动时，可能会多次经过同一地点，导致信息重复，这会影响地图的一致性和精度，因此需要循环检测等方法解决此问题。循环检测的过程是匹配不同时间点的传感器数据，找到重复的地点，识别出循环，再通过特定算法进行数据优化。优化的目标是最小化误差，从而使机器人的估计轨迹与地图上的约束相匹配。161二、SLAM技术的分类与原理在服务机器人领域中，SLAM技术可以根据不同的分类方法进行划分。若基于传感器类型进行分类，可分为基于激光雷达的SLAM技术、基于视觉（摄像头）的SLAM技术和基于惯性测量单元（IMU）的SLAM技术等。若基于应用场景进行分类，可分为室内SLAM技术、室外SLAM技术、地下SLAM技术和水下SLAM技术等。162基于激光雷达的SLAM技术主要采用栅格算法构建地图，基于视觉（摄像头）的SLAM技术主要采用特征点构建地图。总体看，用特征点构建地图所需数据存储量相对少一些。另外，相比于激光雷达，摄像头可以提供更为丰富的环境信息，并且不需要进行机械扫描，安装要求也较低。然而，采用特征点构建地图往往会忽略所在环境的一些必需的信息（比如环境中障碍物的位置），以致影响定位和构建地图的精度。163基于惯性测量单元的SLAM技术通过集成加速度传感器和陀螺仪等传感器的输出，从初始位置开始逐步估计服务机器人在运动过程中的位置和姿态，从而构建服务机器人在环境中的运动轨迹和地图。这种SLAM技术的主要特点是可在缺乏其他传感器支持的情况下实现同步定位和构建地图。此外，基于惯性测量单元的SLAM技术还可以提供高频率、高精度的定位信息，适用于特别强调实时运动控制的场景。但是，惯性测量单元的累积误差较明显，会导致位置和姿态数据不准确，从而影响构建地图的精度。164§6-1服务机器人通信技术基础知识01§6-2服务机器人集群通信02165§6-1

服务机器人通信技术基础知识166一、模拟信号与数字信号现代通信技术利用电子和计算机技术，通过各类媒介传输和处理信息。其核心在于将信息转化为电信号，经媒介传输后再还原为原始信息。电信号主要分为模拟信号和数字信号，如图所示。167模拟信号与数字信号模拟信号是指连续变化的电信号，它的数值可以在任何时候取任何值。模拟信号可以被变压器、电容器、电感器等元器件放大，以便对其进行采集、传输和处理。在服务机器人中，模拟信号可以用于机器人运动控制、传感器信号读取、语音识别等方面。模拟信号的基本特点是时间和幅度取值的连续性。传输和处理模拟信号时，需要考虑信号的失真、干扰和衰减等问题。这是因为，模拟信号会受温度、湿度、电磁干扰等环境因素的影响。168数字信号是由一系列离散的数值组成的信号，通常表示为0和1。数字信号被广泛应用于服务机器人控制和通信，其优势在于精度高、抗干扰能力强，适用于长距离传输和高速通信。服务机器人的电气控制装置通常需要传输和处理数字信号。169在服务机器人的电路中，传输不同的信号需要选用符合相应特性的元器件。传输数字信号时需要使用数字集成电路，以便对数字信号进行逻辑运算、计数、存储等操作。数字集成电路电源电压范围、输入输出阻抗等特性参数需要与其他元器件相匹配，才能保证信号的正确传输和处理。传输模拟信号时，需要考虑信号的幅度、频率和波形等特性参数，这些参数需要与放大器、滤波器、模数转换器等元器件相匹配。170二、内部通信与外部通信服务机器人通信技术可分为内部通信和外部通信。内部通信主要用于协调服务机器人内部各个模块之间的功能和行为，通过软硬件接口实现模块之间的信息交换和协作。内部通信确保了机器人各个部件之间的协调和整体工作的顺利进行。外部通信是指服务机器人与外部控制系统、其他机器人或人类操作者之间进行信息交互。为了实现外部通信，机器人通常会配备独立的通信专用模块，通过这些模块与外部设备或系统进行连接和集成。171三、常用通信协议和接口1. CAN总线协议CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域网）总线协议是一种串行通信协议，通常用于工业自动化和汽车电子领域。在服务机器人中，CAN总线协议可以用于不同控制器之间的通信，以实现整个服务机器人系统的协调运作。CAN总线协议具有抗干扰能力强、速度快、可靠性高等优点，可以实现分布式控制，从而避免单一控制器的负荷过大，提高系统的可靠性和实时性。这种协议是基于广播式通信机制和标识符优先级来实现数据传输的。1722. TCP TCP（TransmissionControlProtocol，传输控制协议）是一种常用的传输层协议。它提供端到端的通信机制，确保数据在不同设备之间的可靠传输。基于TCP的通信是建立在客户端

-

服务器模型上的。客户端是发起连接的一方，服务器是接受连接并提供服务的一方。客户端通过TCP向服务器发送请求，服务器接收请求并返回响应。这种连接是可靠的，能确保数据的完整性和顺序性。

基于特定机制，客户端和服务器通过交换特定的控制信息来确认彼此的可用性和愿望，并建立连接。在传输数据时，TCP将数据划分为小的数据段，并为每个段分配序列号，以确保数据按序传输和并保证完整性。连接结束时，双方再次交换控制信息，逐步关闭连接。1733. UDPUDP（UserDatagramProtocol，用户数据报协议）是一种无连接的传输层协议，主要用于提供面向事务的简单信息传送服务。UDP不提供用户数据报的分段、组装及排序功能，无法保证用户数据报的有序传输。即使是处于网络拥堵的情况下，UDP也无法进行流量控制等避免网络拥塞的行为。此外，传输途中即使出现数据丢失，UDP也不负责重发。但正因如此，UDP的传输效率较TCP更高。UDP可支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。1744. SocketSocket是用于实现不同设备间通信的编程接口。两台设备要进行网络通信，每台设备都得有一个Socket。Socket由IP（互联网协议）地址和端口号组合而成。IP地址能确定设备在网络中的位置，端口号则能标识设备上的具体应用程序。Socket主要有两种工作模式，分别对应TCP和UDP。在编程时，使用Socket进行通信一般要经过创建Socket、绑定地址、监听连接（仅TCP需要）、建立连接（仅TCP需要）、发送和接收数据，以及关闭Socket这些步骤。175四、常用短距离无线技术1. NFC NFC（NearFieldCommunication，

近场通信

）

是一种短距离高频无线通信技术，其允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输。NFC技术由RFID（非接触式射频识别）演变而来，并有特定的标准集，确保具有NFC功能的设备可相互操作。NFC技术可以分为三种工作模式：主动模式、被动模式和双向模式。176NFC技术采用电磁感应耦合方式传递信息，工作在13.56MHz波段。启动NFC通信的设备，也称为NFC发起设备，在整个通信过程中提供射频场。它可以选择106kbps、212kbps、424kbps中的一种传输速度，将数据发送到另一台设备。另一台设备称为NFC目标设备，不必产生射频场，而使用负载调制技术，即可以相同的速度将数据传回发起设备。负载调制技术是指目标设备通过改变其天线阻抗来调制射频场中的电流或电压，从而产生可检测的信号。这种信号可以被发起设备接收并解码成数据。负载调制技术可以有效降低目标设备的功耗，并延长电池寿命。177NFC技术可以为服务机器人提供一种简便、安全、快捷的信息交换和控制方式。服务机器人可以通过NFC标签获取商品信息、用户偏好、任务指令等，可以通过NFC与用户进行身份验证、支付结算、反馈评价等，还可以通过NFC与其他机器人进行数据同步、协作控制、状态更新等。NFC技术在不同的应用场景中具有不同的应用效果。1782. Wi-FiWi-Fi是一种无线局域网技术，它基于IEEE802.11系列标准，用于在有限范围内无线传输数据。Wi-Fi技术通过电磁波进行数据传输，可将计算机、智能手机、服务机器人和其他设备连接到互联网或局域网。Wi-Fi利用2.4GHz或5GHz频段的电磁波进行通信。设备通过内置的Wi-Fi适配器与Wi-Fi路由器或访问点建立连接。Wi-Fi路由器将有线网络连接转换为无线信号，并将数据传输给连接的设备。1793. 蓝牙蓝牙（Bluetooth）是一种短距离无线通信技术，它可以实现不同设备间的数据交换和通信，而无需连接电缆。蓝牙协议可以用于服务机器人与移动设备之间的无线通信，实现服务机器人控制和数据传输等功能。通过蓝牙协议，移动设备可以向服务机器人发送控制指令、任务和地图等数据，并接收服务机器人反馈的传感器数据和状态信息。同时，蓝牙协议还支持服务机器人与移动设备之间进行点对点或多点对多点的通信，从而实现多机器人协作或者机器人与其他设备之间的交互。蓝牙协议的通信距离较短，一般不超过10m，因此在服务机器人应用中，需要考虑机器人和移动设备之间的物理距离和遮挡物等因素对通信的影响。180五、服务机器人通信的特点●

实时性：服务机器人通信需要及时传递信息和接收指令，以保持与用户或其他系统的实时互动。实时性要求通信延迟低，机器人能够快速响应用户需求。●

可靠性：服务机器人通信要求高可靠性，确保信息的准确传递和指令的正确执行。通信链路稳定性、数据完整性和错误处理能力是保证通信可靠性的关键。●

灵活性：服务机器人通信需要支持不同的通信模式和协议，以适应多样化的应用场景和需求。灵活性使服务机器人能够与不同的设备、系统和平台进行交互和集成。181●

可扩展性：服务机器人通信系统需要具备良好的可扩展性，能够支持连接多个机器人和多个用户或系统的同时通信，能方便地添加新的设备或功能，以满足不断变化的需求。●

安全性：服务机器人通信涉及敏感信息和用户隐私，因此安全性是至关重要的。通信系统需要提供机密性、完整性和身份验证等安全机制，以保护通信内容和保障用户的安全。●

节能性：服务机器人通信系统需要考虑能耗问题，尽量降低通信过程中的能源消耗，延长服务机器人的运行时间和续航能力。182六、服务机器人通信系统的质量评价实现服务机器人内部和外部通信功能的硬软件构成了服务机器人通信系统。其质量评价指标可分为有效性指标和可靠性指标两类。1. 有效性指标有效性是指服务机器人通信系统充分利用信道资源的能力，即系统中单位频带传输信息的速率。使用模拟信号时，有效性通常通过衡量系统的有效带宽来进行描述。有效带宽是指在特定频带内能够传输的最大信息量。它取决于信号的带宽、信噪比以及传输设备的特性。1832. 可靠性指标可靠性是指服务机器人通信系统确保信息传输准确性和质量的能力。使用模拟信号时，可靠性通常用输出信噪比来衡量。输出信噪比是指输出信号中所含有用信号功率与噪声功率之比。较高的输出信噪比表示系统能够更有效地抵抗噪声干扰，从而提供更准确的传输。使用数字信号时，可靠性通常通过传输差错率来衡量。传输差错率是指在数据传输过程中出现错误的比率。较低的传输差错率表示系统能够更好地减少数据丢失和错误。为提高服务机器人通信系统的可靠性，可采用多种技术和策略。184§6-2

服务机器人集群通信185一、服务机器人集群通信的概念集群通信是服务机器人的一种常见通信方式，它是多个服务机器人通过特定通信协议和技术进行

实时信息交换与协同工作

的技术体系。其核心目标是实现机器人间的任务协调、状态同步和集体智能决策。1861. 服务机器人集群通信方式分类服务机器集群通信包括显式通信和隐式通信两种机制。显示通信和隐式通信又可细分为不同类别，如图所示。187服务机器人集群通信机制（1）显式通信显式通信是指机器人之间通过直接的信息交流来实现协作的一种通信方式。它依赖于预设的通信协议或规则，如特定的信号、符号或数据格式，以确保信息能够准确、高效地传递。显式通信包括直接通信和间接通信两种形式。直接通信要求发送者和接收者同时在线并保持一致，因此需要一种通信协议。间接通信不需要发送者与接收者保持一致。188（2）隐式通信隐式通信是一种通过环境感知或行为交互间接传递信息的通信方式，它不依赖预设的通信协议或显式数据传输，而是利用机器人自身的传感器、执行器以及环境特征实现信息交换。隐式通信包括感知通信和环境通信两种机制。感知通信是指服务机器人利用自身传感器感知其他服务机器人或环境的信息，从而实现间接通信。环境通信是指服务机器人在环境中留下标记，供其他机器人识别并获取信息。这种通信方式利用环境作为信息传递的媒介，无需直接通信。1892. 服务机器人集群通信的应用场景集群通信可以实现服务机器人之间的分工合作，从而提高工作效率。集群通信还可以通过位置和状态信息共享，避免服务机器人相互碰撞，并帮助服务机器人规避障碍物，提升整体运动控制和路径规划效果。这对于物流机器人集群、救援机器人集群等尤为重要。此外，集群通信还可以增强服务机器人的感知和决策能力。通过共享传感器数据和环境信息，机器人可以获取更全面的感知视野，从而做出更准确的决策和行动。190二、常用分布式网络1. 无线传感网络无线传感网络由大量的分布式传感器节点组成，这些传感器节点能感知并处理环境中的各种信息，还能相互通信。无线传感网络工作时，各个传感器节点通过无线通信建立网络连接。这些节点通过高效的数据传输路径将信息传递到目标节点或基站。传输信息之前，节点会将数据整合、压缩并作筛选，以减少能量消耗和网络负载。同时，节点也可以通过目标节点和基站的反馈进行任务分配和数据处理，从而实现对环境的实时监测和控制。191无线传感网络可以用于环境监测。这种网络通过部署传感器节点来感知温度、湿度、气体浓度等参数，从而为用户提供实时的环境信息。无线传感网络还可以实现对移动目标的追踪和定位。另外，无线传感网络也可用于灾害救援等领域。无线传感网络具有低功耗、自组织性强和可靠性高的特点。由于节点通常采用低功耗的硬件和通信协议，能够在长时间内工作而不需要频繁更换电池。同时，节点之间可以自动建立连接，形成自组织网络，无须人工干预。此外，无线传感网络还能通过路由算法和数据聚合等技术，提高网络的可靠性和稳定性，确保数据的准确传输。1922. Ad Hoc网络AdHoc网络由一组移动设备组成，这些设备可以在没有任何基础设施的情况下直接进行通信。当移动设备进入AdHoc网络范围内时，它们可以自动发现彼此并以自组织的方式建立网络连接。每个设备在网络中都充当节点的角色，可以发送或接收信息，也可以通过中继传递其他设备的数据。节点之间通过无线通信进行数据传输，通过动态路由协议选择最佳路径进行数据转发。这样，移动设备可以实现互相通信和共享信息，形成一个临时的自组织网络。1933. Mesh网络Mesh网络采用网状拓扑结构，其中每个节点都可以直接与其他节点进行通信。当一个节点想要发送数据时，它可以选择最近的邻居节点进行直接通信，也可以通过多个中间节点进行多跳转发。这种多跳转发的方式可以提高通信的可靠性和覆盖范围。Mesh网络可以应用于多个机器人之间的协同工作。每个机器人作为一个节点，可以通过Mesh网络共享信息、传递指令和协调任务，从而实现协同工作效果。194Mesh网络的特点包括自组织性强、灵活性强和鲁棒性强。由于每个节点都可以与其他节点直接通信，Mesh网络可以在没有中心控制的情况下建立和维护网络连接。Mesh网络还可以根据节点的移动和变化动态调整路由路径，适应不同环境和拓扑变化。另外，即使Mesh网络中的某些节点失效或中断，其他节点仍然可以通过其他路径进行通信，保持网络的连通性和可靠性。195三、集群组网的构建及其优化方法组网方式主要包括集中式组网和分布式组网两种方式。集中式组网：将其中一个节点作为中心节点，其他节点通过直接连接或间接连接的方式与中心节点通信。这种方式简单易用，但中心节点的故障会导致整个网络失效。分布式组网：将节点之间相互连接，形成多对多的拓扑结构。这种方式灵活性较高，每个节点都能与其他节点直接通信，因此网络具有较好的鲁棒性。196路由算法主要包括最短路径算法、分布式路由算法和负载均衡算法。最短路径算法基于图论计算节点之间的最短路径，选择具有最小跳数或最小代价的路径进行数据传输。分布式路由算法根据每个节点自身状态和邻居节点信息进行路由选择，通过局部信息共享和协作来动态调整路由路径。负载均衡算法则会根据网络负载情况，将数据流量均匀分配到不同的路径或节点上，从而避免某个路径或节点过载。197一般来说，构建稳定的集群网络需要考虑以下几个方面：●

节点间连接稳定性：确保节点间的连接可靠，避免频繁的连接中断或数据丢失。●

路由算法优化：选择适合集群通信的路由算法实现高效的数据传输和路由选择。●

容错性和鲁棒性：设计网络拓扑和路由算法时，需要考虑容错机制，使网络能够自动适应节点故障