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1、第7章 智能机器人自主导航与路智能机器人自主导航与路 径规划径规划 .1 概述概述 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； （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

2、作寻找最优或近似最优的无碰撞路径并实现安全运动。.1.1 导航系统分类导航系统分类 对于不同的室内与室外环境、结构化与非结构化环境，机器人完成准确的自身定位后，常用的导航方式主要有磁导航、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。 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。 （1）基

3、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； （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。 7.1.2 导航导航系统体系结构系统体系结构 智能机器人的导航系统是一个自主

4、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 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。 7.2.17.2.1拓扑拓扑图图 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

5、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。 7.2.27.2.2特征图特征图 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： 其中 是一个特征(边、线角等)，n是地图中的特征总数。、（7.1）/2 2 2）特点）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

6、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。/27.2.37.2.3网格图网格图 1 1）基本思想）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 2）特点）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。1220

7、21/8/27.2.47.2.4直接表征法直接表征法 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。/27.3 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

8、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。/27.3.17.3.1相对定位相对定位 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。/2 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

9、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。/2 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。 /2 2）非系统误差 非系统误差是在机器人和外界环境接触过程中，由于外界环境不可预料特性引起的。主要误差来源如下： （1）轮子打滑； （2）地面不平； （3）地面有无法预料

10、的物体（例如石块）； （4）外力作用和内力作用； （5）驱动轮和地板是面接触而不是点接触。 /2 对于机器人定位来说，非系统误差是异常严重的问题，因为它无法预测并导致严重的方向误差。 非系统误差包括方向误差和位置误差。考虑机器人的定位误差时，方向误差是主要的误差源。机器人导航过程中小的方向误差会导致严重的位置误差。 轮子打滑和地面不平都能导致严重的方向误差。在室内环境中，轮子打滑对机器人定位精度的影响要比地面不平对定位精度影响要大，因为轮子打滑发生的频率更高。/2 3）误差补偿 机器人定位过程中，需要利用外界的传感器信息补偿误差。因此利用外界传感器定位机器人时，

11、主要任务在于如何提取导航环境的特征并和环境地图进行匹配。在室内环境中，墙壁、走廊、拐角、门等特征被广泛地用于机器人的定位研究。/2 2. 惯性导航定位法 惯性导航定位法是一种使用惯性导航传感器定位的方法。它通常用陀螺仪来测量机器人的角速度，用加速度计测量机器人的加速度。对测量结果进行一次和二次积分即可得到机器人偏移的角度和位移，进而得出机器人当前的位置和姿态。/27.3.2 7.3.2 绝对定位绝对定位 绝对定位又称为全局定位，要求机器人在未知初始位置的情况下确定自己的位置。主要采用导航信标、主动或被动标识、地图匹配、卫星导航技术或概率方法进行定位，定位精度较高

　　凯尔达5月26日发布投资者关系活动记录表，公司于2022年5月25日接受17家机构单位调研，机构类型为其他、证券公司、阳光私募机构。

　　投资者关系活动主要内容介绍：

　　一、通过宣传视频播放，初步了解公司。

　　问：自产机器人未来发展速度，公司下游客户对从外采机器人到自产机器人的认可度怎么样？

　　答：公司自产机器人相较上年度在市场上认可度有显著提升，市场销售情况良好。公司将加快募投项目——“智能焊接机器人生产线建设项目”的进度，以降低自产机器人产能不足所带来的影响。

　　问：公司的技术和产品与国内的（）、海外的松下他们比，产品的竞争力在哪里？

　　答：公司自主研发的机器人手臂及控制器技术，整体技术达到国际先进水平，部分技术处于国际领先。公司自主研发的伺服焊接技术，整体技术达到国际先进水平，部分技术处于国际领先。公司工业机器人手臂及控制器使用了公司工业机器人技术，伺服焊接系统由焊接电源、送丝系统、伺服焊枪构成，使用了公司工业焊接技术，相关产品整体技术的领先性，可有效证明公司相关技术的先进性。

　　目前，公司已成为少数几家同时掌握机器人焊接设备、机器人手臂及控制器核心技术的厂商之一。

　　问：关于整体的行业：工业机器人发展和GDP其实关系比较大，市场前段时间担心今年经济不行，机器人行业整体增长会承压，类似2018年那种情况。目前疫情还在持续，原材料价格近1个月略有改善。那么公司站在快到2022年年中的时点，对工业机器人这个行业的未来景气度怎么做判断？

　　答：工业机器人行业快速发展已成为必然趋势，但今年受国际形势以及疫情等重大因素的影响，存在一定的不确定性。

　　问：目前公司在焊接机器人方面是否有领先其他同行业公司的技术专利？

　　答：公司自主研发的机器人手臂及控制器技术，整体技术达到国际先进水平，部分技术处于国际领先。公司自主研发的伺服焊接技术，整体技术达到国际先进水平，部分技术处于国际领先。公司工业机器人手臂及控制器使用了公司工业机器人技术，伺服焊接系统由焊接电源、送丝系统、伺服焊枪构成，使用了公司工业焊接技术，相关产品整体技术的领先性，可有效证明公司相关技术的先进性。

　　公司截至目前已获得发明专利30项，其中2020年12月以来获得机器人核心技术发明专利6项。

　　问：贵公司终端下游客户主要在哪些领域？

　　答：公司下游的终端领域相对比较分散，包括健身器材、金属家具、电动自行车等行业，使得公司的抗风险能力不会因为某个行业的波动受到较大的影响。

　　问：汽车制造车身一体化、轻量化的趋势，未来对公司有没有什么影响呢？

　　答：汽车领域有几个明确的方向，其中之一是轻量化，包括新能源汽车、燃油车。燃油车减重可以省油、新能源车减重可以增加续航。汽车领域往新能源汽车方向发展趋势明显。目前轻量化有两种解决方案：1、高强钢替代普通钢。2、铝合金替代碳钢。两种方案很大程度上都依赖焊接技术的提升。因此我们一直在关注汽车领域。目前公司焊接机器人产品已批量进入重点汽车制造厂商的生产制造领域，其中，公司机器人专用伺服焊接设备（含单独对外出售及搭载机器人整机整体对外出售）在广汽乘用车和奇瑞新能源汽车等车企都得到良好应用。

　　问：自主机器人上来后完全不用安川的了吗？作为股东安川会怎么想？

　　答：国产替代进口是大趋势，公司会与安川产生一定竞争。未来，公司将持续加大自主机器人的推广力度。

　　问：公司今年对于整体国内焊接机器人行业增速的预估？公司今年的目标及未来规划？

　　答：目前公司自产机器人相较上年度在市场上认可度有显著提升，市场销售情况良好。公司正在积极研发更大负载的多用途工业机器人，预计未来两年内会向市场推出更多类型的工业机器人，计划在3-5年内，成为国产工业机器人龙头企业;

　　杭州凯尔达焊接机器人股份有限公司主要业务是以工业机器人技术及工业焊接技术为技术支撑，为客户提供焊接机器人及工业焊接设备。公司主要产品为机器人专用焊接设备、工业机器人整机（即机器人手臂及控制器）、全手动焊接设备、半自动焊接设备。公司获得过国防科学技术进步奖（三等奖）、中国机械工业科学技术奖（二等奖）、科学技术进步奖（二等奖）等诸多荣誉，公司在我国工业弧焊机器人领域具有一定的市场占有率、行业知名度及影响力。

　　调研参与机构详情如下：