服务机器人定位导航能力测试方法研究

      服务机器人是通过完全自主或半自主运作，为人类健康或设备良好状态提供有帮助的服务，但不包含工业性操作的一类机器人。定位导航能力是衡量服务机器人最核心的技术指标。随着传感器技术、控制算法的发展，服务机器人定位导航技术也愈加精进。

      一．服务机器人常用定位导航技术

      1.激光定位导航技术

      激光定位导航技术是对目标物发射激光信号，根据从物体反射的信号计算距离、角度，从而得出物体与发射器的相对位置。激光定位导航由激光雷达+SLAM技术组成，具有很强的指向性，良好的导航精度，能很好地适应室内环境，目前已成为机器人主流的定位导航方案。

      2.视觉定位导航技术

      视觉定位导航技术是对机器人周边的环境进行光学处理，用摄像头采集图像信息，压缩反馈到一个由神经网络和统计学方法构成的学习子系统，再结合图像信息与实际位置，完成自主导航定位功能。但该技术图像处理量巨大，一般计算机无法完成运算，实时性较差，且易受光线影响，无法在黑暗环境中工作。

      3.红外线定位导航技术

      红外线定位导航技术是红外线IR标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。该技术能够在发射率较低的情况下进行远距离测量，响应时间短行动速度较快。但受环境的干扰较大，对于近似黑体、透明的物体无法检测距离，需要安装接收天线，铺设导轨，造价较高。

      4.超声波定位导航技术

      超声波定位导航技术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，得到障碍物到机器人的距离。超声波定位导航技术成本低廉并可以识别红外传感器识别不了的物体，比如玻璃、镜子、黑体等障碍物。但易受天气、周围环境、障碍物阴影等外界环境的影响，适用范围较小且导航精度差。

      5.GPS全球定位导航

      GPS全球定位导航技术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，计算出某时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，因而提高动态定位精度。但在移动导航中，移动GPS接收机定位精度受卫星信号状况和道路环境的影响，同时由于时钟误差、传播误差、接收机噪声等诸多因素，导致单纯利用GPS导航存在定位精度比较低、可靠性低。

      二．服务机器人路径规划

      路径规划是指机器人按照某一性能指标搜索一条从起始状态到目标状态的最优或次最优的无碰路径。根据掌握环境信息的完整程度可分为环境信息完全已知的离线全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知的在线局部规划，环境部分已知和完全未知的局部路径规划是学术界研究的重点。全局路径规划的主要方法有：可视图法(V2Graph)、栅格法(Grids)等；局部路径规划的主要方法有：人工势场法、模糊逻辑算法、遗传算法等。

      三．服务机器人定位导航测试

      目标定位测试

      本测试为了测试机器人在导航模式下到达指定目标点的能力。包括到达目标点的姿态准确度和重复性。

      A.测试设备及测试环境布置

      测试设备须具备对机器人定位和导航过程中的姿态、路径的追踪，并能实时记录以上所追踪的位置、角度、运行轨迹、移动速度、旋转速度等的记录和计算。

      注：测试设备可以是视觉跟踪系统、激光追踪仪等。

      测试设备要求如下：

      ——位置分辨率≤3cm

      ——位置精度≤5cm

      ——角度分辨率≤3°

      ——角度精度≤5°

      ——数据采样频率≥30次/s

      测试环境和路径布置如下：

      a)直线布置-在规定的测试区域设定位置A和位置B，两个位置之间距离至少5倍机器人长度（沿运动方向的长度）。机器人在位置A或B时，机器人四周离周边隔离墙的垂直距离须不小于1000mm,如图1所示。布置内的隔离墙宜比机器人高，且不能被越过。

      注：对于足腿式机器人，L代表腿部所测量的尺寸。

 图1

      b)多区域布置-在规定的测试区域内，设置起始位置A和到达位置B。机器人在位置A或B时，机器人四周离周边隔离墙的垂直距离须不小于1000mm。多房间布局的门宽度为x，W+300n<x<W+300(n+2)，n为任意的自然数，如图2所示的测试环境。布置内的隔离墙宜比机器人高，且不能被越过。

 图2

       B.测试方法

      测试步骤如下：

      a)如图1和图2和所示，按说明书做好导航准备（建图等）后使机器人到达位置A；

      b)自动模式下使机器人到达位置 B，手动模式下返回位置A；

      c)重复步骤b)30次；

      2.导航能力测试

      本测试是测试机器人在工作环境下的路径规划能力。

      测试设备及测试环境布置

      同目标定位测试测试设备。

      B.测试方法

      测试步骤如下：

      a)如图1和图2和所示，按说明书做好导航准备（建图等）后使机器人到达位置A；

      b)自动模式下使机器人到达位置B，手动模式下返回位置A；

      c)A到B过程中测试设备记录机器人行走距离；

      d)重复步骤b)c）30次；

      e)按以下公式计算导航能力（ATp）:

      式中：

      lj——第j次A到B的行走距离；

      lc——A到B的最短距离。

       注：部分内容来源于网络，标准源引GB/T38124—2019《服务机器人性能测试方法》

（机器人实验室 陆泽通供稿）