人机交互方式下移动机器人自主导航技术的研究

李尧生

摘 要：科学技术成果为世界人民带来方便快捷的同时，人机交互技术的产生与发展也在伴随而来。在当今社会科学技术中，人机交互技术是最为重要的一部分，但是人机交互技术相对于计算机软件及硬件技术的发展就显得尤为落后了，显然这一课题直接影响了人类能否对更多未知领域加以探索和认识的关键。很多学者都说在人机交互技术产生以来直接对移动机器人自主导航系统方面给予了极大地启发和帮助，在20世纪各国对于机器人领域就开始涉足，面对全球人口资源的浪费和效率低等原因，机器人可以更好地改变目前这种现状，尤其在一些人为情况下无法进行的工作，机器人就可以代替我们完成，机器人需要有自己的思想和判断能力，那么自主导航能力那便成为首要的关键，人机交互技术的产生对于移动机器人自主导航技术的研究就提供了不可或缺的帮助，我们首先要明白什么是人机交互技术，它主要涉及哪些方面，在这些方面中移动机器人自主导航只是其中尤为关键的一个研发项目，如何更好让我们对移动机器人自主导航有更多的了解，该文就从人机交互技术方面对此展开介绍，讲解一下两者之间究竟存在着哪些关联，以及在移动机器人自主导航方面还存在哪些缺陷和未来的发展趋势。

关键词：人机交互技术 移动机器人 自主导航技术 发展 虚拟现实

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0032-02

1 人机交互技术的简要概述

1.1 人机交互技术的形成

人机交互是指在人们发明计算机系统以来，伴随着计算机系统产生的一系列科学研究的理论基础。人机交互技术其实包括两部分组成，一是人与计算机之间，二是计算机与人之间，两者之间的相互交换，这是一个信息交互的过程。在1946年世界上第一台数字计算机被发明以来，计算机逐渐被人们所认知，也不断地融入我们的日常生活中，人们利用计算机本身的键盘、鼠标、数据库、位置跟踪器、压力笔等设备，通过人类自己的眼睛、手脚、和身体的每一个动作向计算机系统传递着我们设定的信息，在此同时计算机也以绘图仪、显示屏、音箱等设备将我们所需要的信息输出给我们，这样就完成了信息间的相互交换。在当今科技领域人机交互技术与很多行业都有着密切的联系，其中包括计算机科学领域、多媒体技术领域、虚拟现实技术的研发、心理学、认知科学和社会科学人类学和机器人研发领域，其中心理学和人机工程学是人机交互技术的理论基础，其他几门学科则与人机交互技术相互渗透，相辅相成，同时机器人也存在着几种状态，如表1。

所以说人机交互技术的产生和发展都对我们的日常生活不可或缺，产生着深远影响。

1.2 人机交互技术包含哪几个方面

随着计算机技术的不断发展和衍生，人机交互技术不再是单一的个体，同融合了多方面的知识，并且在很多行业中广泛应用，接下来就几个主要方面来简单介绍下人机交互技术的应用发展在此列出几个主要的方向：

（1）人机交互技术在界面上的设计应用

我们都知道一个计算机软件的成功与否更多的是在于这个计算机系统的界面好坏，计算机的交互界面在设计上主要依靠于人机交互技术的设计方案和设计交互模型，这两点在交互界面成败中起着决定性的作用，也是我们目前正在研究的一项重要课题。

（2）人机交互技术是否具有可用性评估

在研究人机交互系统前首先要考虑到该系统的研发是不是具有可用价值，即使再好的工作系统没有实用性那也不会成功使用。这也直接关系到客户对人机交互系统的期望价值，只有将交互系统的可用价值进行分析比对，从而做出一套简洁实用的系统才是问题的关键所在，也是我们一直遵循的原则。

（3）多通道交互技术的存在

在人机交互技术中有一种技术尤为关键，它可以将手势、表情和语言都合理地结合起来，利用自然交互的方式完成人类对计算机系统的操控。这种技术其实就是一项多功能的整合技术，在利用评估方法、界面模型来相互融合，从而达到多通道交互技术，在钢铁侠中多通道交互技术有所体现。

（4）认知与智能用户界面

我们所说的人机交互智能界面的主要功能其实就是将人类与计算机之间实现更为智能的交流，利用语言识别、手势识别、表情识别、感知能力的识别等来解决计算机操作系统中用户界面所需解决的问题。

（5）人机交互技术中的虚拟环境系统

计算机技术其实就是一种虚拟技术的存在，它可以利用多方面技术进行融合，来实现一种从听觉、触觉、感觉等方面来感知的高度真实的虚拟环境，在这个环境中有一种身临其境的感觉，比如在电影阿凡达中就以此为实例运用了虚拟环境的人机交互技术。

（6）移动界面系统设计研发

随着计算机技术的产生，伴随而来的便是普通计算和移动计算的区分，以及在这些领域的发展，移动计算就预示着移动应用界面的产生，在设计问题上就应该考虑到移动设备所存在的一些缺点，比如位置不定性，无线网络的限制性等，着都将是移动界面存在的一大难关，如何运用现有的科学技术将移动界面的开发设计达到最好的效果，已然成为人机交互技术中的另一技术难点。其中在机器人移动领域更为注重该技术的改进和研发。

2 人机交互方式下移动机器人导航技术的产生

在20世纪60年代末期，由于人类对于工作效率的提高和加强，逐步向研究人工智能技术在各种不可人为的环境中自主处理境况的方向发展，在改革开放以后，随着计算技术的迅猛发展，一些老牌企业开始将目光投向移动机器人领域，投入大量资金，创建机器人研究组织及平台，近些年来自主移动机器人开始出现在各个领域而且都取得了一些人类无法做到的成就，所以在目前看来在人机交互下移动机器人技术已经成为全球机器人学术界正在研究的一大热点课题。在我们关注移动机器人的同时，要首先考虑我们所将要研制的机器人应该具备哪些功能，无论从行为上还是思维逻辑上，这都是人为在机器人程序内设定的，都是在按照我们的指示在进行工作，但是在机器人工作过程中也要具备一定的自主导航技术，这就是说在自主式移动机器人相关技术研究中，自主导航技术是这一技术的关键核心。我们所说的机器人自主导航其实是指移动机器人在进行工作移动时，通过传感技术感知环境和自身状态从而实现在不同环境下能有效准确地躲避障碍物向既定目标运行的自主运动，这个过程中相当于移动机器人自身通过传感技术获取了一定的思维。就当今科学技术而言，移动机器人导航技术还存在着许多缺陷和难关，首先我们应如何准确的获取机器人在任何某种环境中所在的准确位置，以及环境周围的信息，其次我们要确定一种准确简洁的计算方法对机器人传回的信息进行处理并且要建立环境模式，再次我们要寻找一种最好的方法对移动机器人的移动路线及时作出规划，使机器人移动方式更为安全准确。虽然各国都对移动机器人自主导航技术方面取得了很大的进步和成果，但是在机器人自主导航技术的关键理论和核心技术上还是存在着很多缺陷，很多需要解决和完善。endprint

3 人机交互方式下移动机器人自主导航的方式有哪些

移动机器人的导航方式有很多，尤其是在人机交互方式下更为完善，其中有惯性导航、磁导航、视觉导航、基于传感器数据导航、卫星导航等都是常见的。在每种环境中用到的导航方式也不一样，比如地下埋线的导航方式在20世纪70年代才开始被迅速发展，但是这种导航技术造价成本很高，如果出现故障难以维修，所以很少被使用了。

（1）惯性导航

该导航方式是最为普遍的一种，是利用机器人装配的光电编码器来计算移动机器人所移动的量程，这也需要一种推算方法，进而在得知机器人当前的位置和布置下一步指令。

（2）磁导航

该导航方式现在主要应用于自动导引车上，在自动化物流运输系统柔性生产组织系统的核心关键设备是AGV，在AGV的运行轨迹上会被埋入导线，导线上带有交变电流，在导线周围产生磁场，AGV上安装着两只磁传感器，主要是用于检验磁场强度，从而引导车辆沿着所埋的导线进行正常运行。

（3）基于传感器数据导航

我们所熟悉的机器人一般都会安装传感器，科研人员利用这些传感器带来的数据就可以实现机器人导航，通过事先设定好的神经网络预测障碍物的可能位置，从而使机器人能够在任何环境中及时作出自主导航。

（4）光反射导航定位系统

在光反射导航定位系统中主要是利用了激光或者红外线技术来进行定位的，激光经过旋转镜向外发射，当扫描到由后向反射器构成的合作路标时，反射光经光电接收器处理检测信号，启动数据采集程序读取旋转机构的码盘数据，通过通讯传递到上位机进行数据处理，根据这些信息就可确定当下的位置和方向，从而完成导航功能。

4 人机交互方式下移动机器人导航的相关技术

（1）人机交互技术

由于机器人要跟人直接打交道，对于这方面的技术称之为人机交互技术，其中为了满足客户需求主要应该重视3点方式，一点是遥控方式，二点是语言加手势输入方式，三点是触摸屏图形界面输入方式。

（2）导航定位技术

导航定位技术主要分为两种，一是相对定位技术，它主要有测距法和惯性导航法两种，测距法的主要是具有低廉的价格，良好的短期精度，以及较高效的采样速率。绝对定位技术主要有三部分组成，其中全球定位系统也就是我们所熟知的GPS定位系统，主要用于移动机器人在定位时存在近距离定位精度低等问题的处理路标定位主要是指在机器人运行途径中寻找特殊的路标定位，根据得到的信息结合外界环境来定位。地图定位系统主要是机器人能够接受自身的传感器传回的信息，并能将自身感知到的信息来自主分析进行判断比较，从而实现导航定位。

（3）导航路径规划

导航路径规划是当前自主移动机器人技术中尤为重要的一个课题，它是指移动机器人按照某个性能指标搜索一条最为适合从初始状态到结束状态的路径。其中根据环境建模方式和搜索策略的不同，可分为三类，分别是前向图算法和基于随机采样的运动规则，还有基于自由空间几何构造的规划。前向图算法主要包括心算搜索法、A算法、D算法和人工势场算法，这些算法计算复杂，根本不适合解决高自由度机器人在各种环境中的规划。基于随机采样的规划算法主要用于克服人工势场法存在的局部极小和在高维姿态空间中规划时存在的效率问题，主要包括随机路径规划器、概率路标算法及其变种算法。基于几何构造的规划方法有可视图、切线图以及精确格分解等方法。

5 机器人领域的新突破

随着世界经济的高速发展，人为经济已经逐渐被社会经济所取代，在社会经济中科学技术是经济发展的主体。在机器人领域也出现了一种新型技术，就是自主飞行机器人系统，它主要是用微型直升机作为模型来设计的复杂系统。在这个系统中可以通过安装的导航系统获取到所有传感器传回的数据，其中有机器人当前所在的位置，和当前的飞行状态，控制模块都会将这些信息反馈给计算机系统，飞行机器人会自主做出判断，自主飞行机器人的导航系统主要由三个转角传感器，三个方向传感器，罗盘，GPS信号接收设备，激光测量设备等组成，这是未来发展的一个新思路。

6 人机交互方式下移动机器人自主导航技术的发展趋势

随着计算机技术传感技术不断发展，科研人员对于自主机器人导航技术的要求又提出了新的观点，自主移动机器人应用的领域也在不断扩大，其复杂程度也就越来越高，也就给自主导航技术提出来新的技术难点。

（1）对于自主移动机器人进行分布式智能研究，其实就是指要将原来的主体指令分布到计算机本身的计算机个体中，然后由主机进行统一分层次的指挥，这样便减小了机器人本身的重量，也能提高系统的反应速度方便灵活指挥。（2）在视觉导航系统中安装多传感器，这样就尽可能的弥补视觉导航上存在的不足，机器人既能进行全局视觉又可以进行局部视觉，进一步实现了视觉信息的融合。

（3）随着人类能源的枯竭，人类对于外太空的探索也正处于亟不可待的形式下，这样网络机器人的产生便是将来机器人发展的一个方向，也是我们研究的一个热点。

（4）自主导航系统的实时性对于视觉导航的优势发挥起着重要的作用，在静动态图像处理技术上还是有所欠缺，亟需解决。

（5）对于计算机虚拟技术的研究，在机器人自主导航系统中起到的作用，在未来会更加明显，对于这点，科研人员可以创建一个仿真平台，从多方面研究多传感技术，也为机器人虚拟技术的实现打下铺垫。

参考文献

[1] 刘同明.数据融合技术及其应用[M].北京：国防工业出版社，1998.

[2] 杨静宇.多传感器集成与信息融合[J].机器人情报，1994（1）.

[3] 马兆青，袁曾任.基于栅格方法的移动机器人实时导航与逃避[J].机器人，1996（6）.

[4] 王宏，张敏.基于地图的室外移动机器人路径规划和导航系统[J].机器人，1994（1）.

[5] 李磊，叶涛，谭民，等.移动机器人技术研究现状与未来[J].机器人，2002（5）.endprint