移動機器人的研究始于 20 世紀 60 年代末期，目的是研究人工智能技術及在復雜環境下機器人系統的自主推理和規劃能力。 70 年代末，隨著計算機技術和傳感技術的發展，世界上一批著名公司開始研究移動機器人平臺，這些移動機器人平臺主要作為大學實驗室及研究機構的移動機器人實驗平臺。 近年來，自主式移動機器人（Autonomous Mobiie Robot）技術在工業、農業、醫學及社會服務業等領域顯示了越來越廣泛的應用前景，因而成為國際機器人學術界研究的熱點問題［1，2，18］ 。 在自主式移動機器人相關技術的研究中，導航技術是其研究核心。 導航是指移動機器人通過傳感器感知環境和自身狀態，實現在有障礙物的環境中面向目標的自主運動。 導航主要解決三方面的問題：（1）通過一定的檢測手段獲取移動機器人在空間中的位置、方向以及所處環境的信息；（2）用一定的算法對所獲信息進行處理并建立環境模型；（3）尋找一條最優或近似最優的無碰路徑，實現移動機器人安全移動的路徑規劃。 目前，對移動機器人導航技術的研究已取得了大量的成果，但還有很多關鍵理論和技術問題有待解決和完善。 本文將就移動機器人的導航技術展開討論。 2 移動機器人的導航方式（The navigation manner of mobile robot）常見的導航方式有電磁導航［1］、光反射導航［1］、視覺導航［1，2，21］、味覺導航［2，21］、聲音導航［2，21］等。 電磁導航也稱為地下埋線導航［1，2］，是 20 世紀 50 年代美國開發的，到 20 世紀 70 年代這種導航方式迅速發展并廣泛應用于柔性生產。 其原理是在路徑上連續埋設多條引導電纜，分別流過不同頻率的電流，通過感應線圈對電流的檢測來感知路徑信息。 中國科學院沈陽自動化研究所已生產出基于電磁導航的多代移動機器人產品［2］ 。 該技術簡單實用，但其成本高，改造和維護困難。 光反射導航的原理是在路徑上連續鋪設光反射條，是一種方式簡單、價格便宜的導航系統。 上述兩種導航技術已相當成熟，目前國內制造行業使用的移動機器人大多是基于這兩種導航方式。 視覺導航方式具有信號探測范圍寬、獲取信息完整等優點，是未來移動機器人導航的一個主要發展方向。 在視覺導航系統中，目前國內外應用最多的是采用在移動機器人上安裝車載攝像機的基于局部視覺的導航方式。 采用這種導航方式，所有的計算設備和傳感器都裝載在機器人車體上，圖像識別、路徑規劃等高層決策都由車載計算機完成，因而延時問題較為明顯。 現在也有很多機器人系統采用 CCD （charge coupied device）圖像傳感器［l，2］ 。 CCD 傳感器在一個硅襯底上配置光敏元件和電荷轉移器件，通過電荷的依次轉移，將多個象素的信息分時、順序地取出來，分為一維和二維兩種傳感器。 其中二維的圖像傳感器需要進行水平、垂直方向掃描，對掃描所得的模擬電壓進行采樣、量化，并將數字化了的數據存儲在計算機內的二維陣列處理器中。 視覺導航中的圖像處理計算量大，實時性差始終是一個瓶頸問題。 為了提高導航系統的實時性和導航精度，仍需研究更加合理的圖像處理方法。 當物體不在視野之內或光線很暗時，視覺導航方式將失效，此時，聲音是最有用的信息。 與視覺相比，聲音的空間分辨率比較低，但聲音具有無方向性，時間分辨率高，能在黑暗中工作等優點。 因此研究人員提出了基于聲音的導航方式，并采用 MUSIC 法［2］、時間—空間梯度法［2］、最大似然法［2］來實現機器人的精確定位。 味覺導航是指機器人通過化學傳感器感知氣味，根據氣味濃度和氣流方向來控制機器人的運動。 氣味傳感器具有靈敏度高、響應速度快以及魯棒性好等優點。 目前的味覺導航實驗多采用在機器人的起始點與目標點之間用特殊的化學藥品，引出一條無碰氣味路徑。 這種導航方式有很好的實用價值，如用于搜尋空氣污染源和化學藥品泄露源等。 3 移動機器人導航中的相關技術（Technology relative to mobile robot navigation） 3. 1 定位定位［l，2，5 ~ 7，l2］是確定移動機器人在二維工作環境中相對于全局坐標的位置及其本身的姿態，是移動機器人導航的最基本環節。 定位技術可分為絕對定位技術和相對定位技術。 相對定位技術主要有測距法［2，6］和慣性導航法［2，6］ 。 測距法以位移方程 S = E n i = 0 ！Si 為基礎，其中 S 為第 n 個采樣周期時車輪移動的總路程，！Si 為第 i 個采樣周期內車輪移動的路程。 測距法常采用的傳感器有光電編碼器［6，l3］、里程計［6，l3］和航 向 陀 螺儀［6，l3］ 。 其優點是具有良好的短期精度、低廉的價格以及較高的采樣速率。 慣性導航法采用陀螺儀和加速度計實現定位，陀螺儀測量回轉速度，加速度計測量加速度。 根據測量值的一次積分和二次積分可分別求出角度和位置參量。 陀螺儀通過對所測的角速度值進行積分，計算出相對于起始方向的偏轉角度，即 “ = I t t0 #（t）1t. 其中：” 為 t 時刻相對起始方向的偏轉角度，# 為瞬時角速度，t0 為起始時間。 相對定位技術的基本思路都是基于測量值的累積，因而無法避免時間漂移問題，隨著路徑的增長，任何小的誤差經過累積都會無限增加。 因此，相對定位不適于長距離和長時間的準確定位，通常將它們與絕對位置測量技術相結合，以獲得更可靠的位置估計。 絕對定 位 技 術 中 比 較 成 熟 的 有 全 球 定 位 系統［6，ll］、路標定位［2，6，7］和地圖匹配定位［2，5 ~ 7，l2］ 。 全球定位系統（Giobai Positioning System）簡稱 GPS，它是一種以空間衛星為基礎的高精度導航與定位系統。 GPS 定位系統用于移動機器人定位時存在近距離定位精度低等問題。 路標定位是一種常見的定位技術。 路標是具有明顯特征的能被機器人傳感器識別的特殊物體。 根據路標的不同，分為基于自然路標定位和基于人工路標定位。 其中，人工路標定位技術應用得最為成熟。 人工路標定位是在移動機器人的工作環境里，人為地設置一些坐標已知的路標，如超聲波發射器、激光反射板等，機器人通過對路標的探測來確定自身的位置。 基于已知地圖的定位系統稱為地圖匹配定位技術，移動機器人通過自身的傳感器探測周圍環境，并利用感知到的局部信息進行局部地圖構造，然后將這個局部地圖與預先存儲的完整地圖進行比較，如兩地圖相互匹配，就能計算出機器人在工作環境中的位置與方向。 地圖匹配定位的兩個關鍵技術是地圖模型的建立和匹配算法