基于可用户配置设备网络的机器人导航系统：Pebbles的创新应用

# 基于可用户配置设备网络的机器人导航系统：Pebbles的创新应用 ## 1. 引言 在室内环境中，机器人导航是一个具有挑战性的问题。传统的定位技术，如GPS，在室内环境中的性能有限。因此，人们提出了多种室内定位技术，如基于无线电的指纹识别、安装传感器、利用摄像头和被动标签等。然而，这些技术往往需要专业知识来注册地图信息，并且在注册后难以重新组织。本文介绍了一种名为Pebbles的用户可配置设备网络，用于机器人导航，旨在解决这些问题。 ## 2. 相关工作 ### 2.1 室内定位技术 - **基于无线电的指纹识别**：利用无线局域网的信号特征进行定位，通常不需要对基础设施进行重大改变。 - **安装传感器**：在环境中安装传感器，如声纳、激光和视觉传感器，来计算位置。 - **利用摄像头**：使用固定在环境中的摄像头进行定位。 - **被动标签**：使用被动标签来计算位置，如基于编码无缝模式的室内标记定位系统。 ### 2.2 相对定位 通过发射信标信号的设备进行相对定位，机器人可以追踪信号在设备之间移动。这种方法可以帮助机器人理解环境结构，但之前的工作没有讨论普通用户是否能够部署这些设备。 ### 2.3 自动映射技术 以SLAM为代表的自动映射技术广泛应用于机器人和自动驾驶车辆。机器人通过探索构建环境地图，并使用该地图导航到特定位置。然而，这种方法的地图内部表示通常是一组坐标，用户难以指定目的地或标记位置。 ## 3. Pebbles系统介绍 ### 3.1 设备硬件 Pebbles是一种独立的设备，能够与其他Pebbles进行通信。每个Pebble由微控制器单元、红外通信单元和电池组组成，封装在一个直径和高度均为10厘米的塑料圆柱外壳中。每个Pebble具有唯一的ID，顶部有一个带有该ID标签的按钮，用于用户输入。 - **红外通信单元**：有八个红外收发模块，每个模块包含一个红色LED指示灯、一个红外接收器和三个红外信号发射器。模块间隔45度，实现360度覆盖。 - **LED指示灯**：提供基本的反馈信息。 - **按钮**：用于接收用户输入。 ### 3.2 部署Pebbles 机器人根据Pebbles的拓扑信息规划导航，并根据Pebble信号向目标移动。因此，每个Pebble必须与至少一个其他Pebble通信，且不能完全孤立。用户负责安排每个Pebble与相邻Pebble进行通信，系统提供LED和语音反馈来帮助用户确保Pebble的连接性。 - **LED反馈**：每个Pebble顶部的LED指示灯显示其与特定方向上其他Pebble的连接状态。当发送和接收红外信号时，相应通道的指示灯同步闪烁，指示相邻关系。 - **语音反馈**：机器人列举网络中Pebble的ID，帮助用户确定哪些Pebble不可见，以及哪些连接不正常。如果机器人没有收到任何Pebble的信号，它会提示用户重新布置。 用户可以在期望的目标位置和中转点放置Pebbles。通过在遥控器按钮上贴上物理标签，可以对位置进行标记，分为静态、半静态和动态目标三种类型： | 目标类型 | 特点 | 示例 | | ---- | ---- | ---- | | 静态目标 | 名称在初始安装后不会改变 | 厨房、入口、会议室 | | 半静态目标 | 通常是固定位置，但可能偶尔重新定位 | 餐桌、沙发、XXX女士的办公桌 | | 动态目标 | 可以通过携带Pebble来定义 | 父亲、YYY先生 | 当房间布局发生变化或引入新的障碍物时，用户需要重新布置受影响区域的Pebbles。Pebbles会定期发送信号并自动检测拓扑变化，用户可以通过调整Pebbles来重新配置网络。 ### 2.3 目标指定 用户可以通过以下两种方式指定机器人的目标： - **