一、引言（Introduction）
多關(guān)節(jié)機(jī)器人為了能在未知或時(shí)變環(huán)境下自主地工作.應(yīng)具有感受作業(yè)環(huán)境和規(guī)劃自身動(dòng)作的能力。為此.必須提高機(jī)器人對當(dāng)前感知環(huán)境的快速理解識(shí)別及實(shí)時(shí)避障的能力。實(shí)時(shí)避障是實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)器人自主工作能力的關(guān)鍵技術(shù).也是國內(nèi)外智能機(jī)器人近期發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn).其顯著特征是具有傳感器信息反饋.可以實(shí)現(xiàn)很好的智能行為。本文主要針對基于傳感器信息的多關(guān)節(jié)機(jī)器人實(shí)時(shí)避障方法方面的研究.詳細(xì)介紹了傳感器的選擇和傳感器信息融合技術(shù)。
二、傳感器選擇（The choice of sensors）
機(jī)器人避障的關(guān)鍵問題之一是在運(yùn)動(dòng)過程中如何利用傳感器對環(huán)境的感知。任何類型的傳感器都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足.選用時(shí)需要仔細(xì)考慮各種因素。
在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃過程中傳感器主要為系統(tǒng)提供兩種信息：
（1）機(jī)器人附近障礙物的存在信息。
（2）障礙物與機(jī)器人間的距離。近幾年.應(yīng)用到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的傳感器一般分為兩大類：無源式傳感器和有源式傳感器。
1、無源式傳感器
應(yīng)用在避障中的無源式傳感器包括觸覺傳感器和視覺傳感器兩種。
（1）觸覺傳感器
機(jī)器人觸覺系統(tǒng)是模擬人的皮膚與物體接觸的感覺功能.獲取周圍環(huán)境信息.用來達(dá)到避障目的.特別是在黑暗處或者因障礙物的影響導(dǎo)致無法通過視覺獲取信息的條件下.使機(jī)器人具備觸覺功能。
觸覺傳感器是一種測量自身敏感面與外界物體相互作用參數(shù)的裝置.觸覺傳感器常常包含許多觸覺敏感元.并以陣列的形式排列.通過這些觸覺敏感元與物體相互接觸產(chǎn)生觸覺圖象.并進(jìn)行分析與處理.這種工作方式稱為被動(dòng)式觸覺/但是.實(shí)際應(yīng)用中.一方面由于觸覺傳感器的空間分辨率大大提高.
其工作平面尺寸比被識(shí)別物體要小得多；另一方面機(jī)器人控制中需要得到物體的三維信息。因此，在被動(dòng)式觸覺的基礎(chǔ)上，將觸覺傳感器安裝在機(jī)器人上，隨著機(jī)器人的不斷運(yùn)動(dòng)，傳感器可得到被識(shí)別物體的三維觸覺信息，通過進(jìn)一步處理與識(shí)別，并反映給機(jī)器人控制器，這樣可以使機(jī)器人獲取周圍環(huán)境信息，識(shí)別物體形狀，確定物體空間位置等，從而達(dá)到智能控制和避障的目的。這種工作方式稱為主動(dòng)式觸覺。在安裝觸覺傳感器時(shí)，一般都安裝在手爪、足、關(guān)節(jié)等主要的操作部位。
觸覺傳感器應(yīng)用在多關(guān)節(jié)機(jī)器人避障系統(tǒng)中的主要缺陷是：信號滯后，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障，工作過程中機(jī)器人系統(tǒng)容易損壞。
（2）視覺傳感器
視覺傳感器獲取的信息量要比其它傳感器獲取的信息量多得多，但目前還遠(yuǎn)未能使機(jī)器人視覺具有人類完全一樣的功能，一般僅把視覺傳感器的研制限于完成特殊作業(yè)所需要的功能。
視覺傳感器把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號，即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號——視頻信號，而該視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。固體視覺傳感器主要有三大類型：一種是電荷耦合器件（CCD）；第二種是MOS圖像傳感器，又稱自掃描光電二極管列陣（SSPA）；第三種是電荷注入器件（CID）。目前在機(jī)器人避障系統(tǒng)中應(yīng)用較廣的是CCD攝像機(jī),它又可分為線陣和面陣兩種.線陣CCD攝取的是一維圖像，而面陣CCD可攝取二維平面圖像。
視覺傳感器攝取的圖像經(jīng)空間采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成一個(gè)灰度矩陣，送入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中，形成數(shù)字圖像。為了從圖像中獲得期望的信息，需要利用計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)對數(shù)字圖像進(jìn)行各種處理，將得到的控制信號送給各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而再現(xiàn)多關(guān)節(jié)機(jī)器人避障過程的控制。
這種傳感器在避障中主要有三方面缺陷：一是受光線條件和工作范圍限制；二是此類傳感器驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴；三是實(shí)時(shí)性差。
2、有源式傳感器
有源式傳感器由于中間傳遞介質(zhì)不同分為：超聲波傳感器、電容耦合式傳感器、電渦流傳感器、紅外傳感器。
（1）超聲波傳感器
超聲波傳感器是靠發(fā)射某種頻率的聲波信號，利用物體界面上超聲反射，散射檢測物體的存在與否。超聲波在空氣中傳播時(shí)如果遇到其它媒介，則因兩種媒質(zhì)的聲阻抗不同而產(chǎn)生反射。因此，向空氣中的被測物體發(fā)射超聲波，檢測反射波并進(jìn)行分析，從而獲到障礙物的信息。
超聲波傳感器由于信息處理簡單、快速并且價(jià)格低，被廣泛用在機(jī)器人測距、定位及環(huán)境建模等任務(wù)中。但在多關(guān)節(jié)機(jī)器人實(shí)時(shí)避障系統(tǒng)中存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在四個(gè)方面：
一是因?yàn)槌暡ǖ牟ㄩL相對長一些，對于稍大的扁平的障礙物可以發(fā)生鏡面反射，傳感器由于接收不到反射信號，使此障礙物不能被檢測到。
二是盲區(qū)較大，因?yàn)槊總€(gè)超聲換能器既作超聲發(fā)射器又作超聲接收器，因此不能同時(shí)發(fā)射超聲和接收超聲。在發(fā)射超聲后必須經(jīng)過一段時(shí)間才能處理返回的聲波。如果障礙物距離太近（<30左右），則傳感器收不到返回的聲波，所以該類傳感器存在測量盲區(qū)。

三是表現(xiàn)在探測波束角過大，方向性差，往往只能獲得目標(biāo)的距離信息，不能準(zhǔn)確地提供目標(biāo)的邊界信息，單一傳感器的穩(wěn)定性不理想等。在實(shí)際應(yīng)用中，往往采用其它傳感器來補(bǔ)償，或采用多傳感器融合技術(shù)提高檢測精度等。
四是由于超聲波受環(huán)境溫度，濕度等條件的影響，以及超聲固有的寬波束角，超聲傳感器在測距時(shí)，所測量的值與實(shí)際的值的誤差較大。
（2）電容耦合式傳感器
電容耦合式傳感器是當(dāng)一物體接近傳感器時(shí)電容發(fā)生改變，電容的改變可使振蕩器起振或產(chǎn)生相移改變，以此來檢測障礙物的存在。此類傳感器性能穩(wěn)定、可靠和耐用。缺點(diǎn)是由于傳感器分辨率很低，在其測量的范圍內(nèi)不能分辨出物體的維數(shù)。機(jī)器人在處理時(shí)必須假設(shè)障礙物非常大，例如，如果障礙物的距離為2cm，被認(rèn)為20∽30cm的物體來處理，這就大大限制了機(jī)器人手臂運(yùn)作的空間。
（3）電渦流傳感器
電渦流傳感器通過向外發(fā)射高頻的變化的電磁場，對周圍的目標(biāo)引起電渦流。電渦流的大小與傳感器和目標(biāo)物體之間的距離有關(guān)，電渦流產(chǎn)生的磁場與傳感器的磁場方向相反。兩個(gè)磁場相互疊加，就會(huì)減少傳感器的電感和阻抗。采用適當(dāng)?shù)碾娐钒炎杩沟淖兓D(zhuǎn)換成電壓的變化，就能計(jì)算出目標(biāo)物體的距離。
電渦流傳感器尺寸較小，可靠性較高，價(jià)格也較便宜，不但可以作為接近覺傳感器，檢測障礙物的存在和物體距離，而且可以采用適當(dāng)?shù)姆椒z測力、力矩或壓力。測量精度比較高，能夠檢測0.02mm的微量位移，測量還具有方向性。但是，這種傳感器的缺點(diǎn)是作用距離較短（一般不超過13mm）。另外，此傳感器僅適用于障礙物為固態(tài)導(dǎo)體的檢測。
（4）紅外傳感器
紅外傳感器是一種比較有效的接近覺傳感器，經(jīng)常被國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用在多關(guān)節(jié)機(jī)器人避障系統(tǒng)中，用來構(gòu)成大面積機(jī)器人“敏感皮膚”，覆蓋在機(jī)器人手臂表面，可以檢測機(jī)器人手臂運(yùn)行過程中的各種物體。傳感器發(fā)出的光的波長大約在幾百納米范圍內(nèi)，是短波長的電磁波。紅外傳感器具有以下特點(diǎn)：不受電磁波的干擾、非噪聲源、可實(shí)現(xiàn)非接觸性測量。另外，紅外線（指中、遠(yuǎn)紅外線）不受周圍可見光的影響，故可在晝夜進(jìn)行測量。
同聲納傳感器相似，紅外線傳感器工作處于發(fā)射/接收狀態(tài)。這種傳感器由同一發(fā)射源發(fā)射紅外線，并用兩個(gè)光檢測器測量反射回來的光量。由于這些儀器測量光的差異，它們受環(huán)境的影響非常大，物體的顏色、方向、周圍的光線都能導(dǎo)致測量誤差。但由于發(fā)射光線是光而不是聲音，可以希望在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)獲得較多的紅外線傳感器測量值。測距范圍較近，大致為30cm以內(nèi)。
3、傳感器選擇策略
傳感器的選擇好壞直接關(guān)系到多關(guān)節(jié)機(jī)器人采集周圍環(huán)境信息量的多少，因此目前機(jī)器人避障系統(tǒng)選擇傳感器類型和數(shù)量有兩種不同的方法：基于環(huán)境的優(yōu)化原則選擇法和基于任務(wù)選擇法。
（1）基于環(huán)境的優(yōu)化原則選擇法：設(shè)計(jì)階段的預(yù)選擇以及適合環(huán)境和系統(tǒng)狀態(tài)變化的實(shí)時(shí)選擇，前者給出了恰當(dāng)?shù)膫鞲衅鲾?shù)量和操作速度之間的關(guān)系，該關(guān)系可決定多傳感器避障系統(tǒng)中傳感器單元的優(yōu)化排列，后者通過貝葉斯方法利用任何先驗(yàn)的物體信息決定傳感器的定位，使傳感器對障礙物體假設(shè)不確定性最小。
（2）基于任務(wù)的選擇法：此方法主要思想是基于避障的任務(wù)，將完成該任務(wù)的過程按時(shí)間及感知范圍劃分為若干段，即將任務(wù)分解，根據(jù)每個(gè)階段所需的傳感器信息合理地選擇傳感器的種類和數(shù)量。
三、傳感器的信息融合（Information fusion of sensors）
在智能機(jī)器人避障的系統(tǒng)中，因?yàn)槿魏蝹鞲衅鞯墓δ芏加邢蓿匾獣r(shí)，應(yīng)將多種傳感器集成在一起，融合多種傳感器信息，這樣可以更正確、更全面的反映出外界環(huán)境的特征，為避障提供正確的依據(jù)。信息融合技術(shù)可以增加各類傳感器信息的互補(bǔ)性、對環(huán)境變化的適應(yīng)性，提高決策的正確性。
多傳感器數(shù)據(jù)融合的基本目的是指通過對多（種，類）傳感器數(shù)據(jù)的綜合處理以獲得比每個(gè)單一傳感器更多的信息。也可以理解為對多傳感器的原始信息加以智能化的綜合，從而導(dǎo)出新的有意義的信息。這種信息的價(jià)值比單一傳感器所獲得信息要高得多，它有利于判斷和決策。因此近年來多傳感器信息融合技術(shù)系統(tǒng)已越來越多地應(yīng)用于機(jī)器人的避障系統(tǒng)中，通過實(shí)驗(yàn)可以取得良好的效果。
1、傳感器數(shù)據(jù)融合方法
多傳感器的機(jī)器人避障系統(tǒng)中，各信息源提供的環(huán)境信息都具有一定程度的不確定性。另外，由于傳感器數(shù)量較多，且多為非線性，要進(jìn)行很好的全局優(yōu)化和控制，處理量大。面對離散數(shù)據(jù)多、關(guān)聯(lián)度大、輸入信息不可線性化且要求融合結(jié)果可靠性高等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合方法（加權(quán)平均法、貝葉斯估計(jì)法、Dempster-Shafer證據(jù)推理方法等）不能很好地滿足要求。對于多關(guān)節(jié)機(jī)器人避障系統(tǒng)而言，通常采用卡爾曼濾波法、產(chǎn)生式規(guī)則、模糊邏輯人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，可以得到關(guān)于環(huán)境更加可靠、統(tǒng)一、精確的描述，便于判斷與決策。
（1）卡爾曼濾波用于實(shí)時(shí)融合動(dòng)態(tài)的低層次冗余多傳感器數(shù)據(jù)，該方法用測量模型的統(tǒng)計(jì)特性遞推決定統(tǒng)計(jì)意義下最優(yōu)融合數(shù)據(jù)估計(jì)。由于機(jī)器人避障系統(tǒng)具有線性動(dòng)力學(xué)模型，且系統(tǒng)噪聲和傳感器噪聲是高斯分布的白噪聲模型，卡爾曼濾波為融合多傳感器數(shù)據(jù)提供唯一的統(tǒng)計(jì)意義下的最優(yōu)估計(jì)。
應(yīng)用到機(jī)器人避障系統(tǒng)的多傳感器信息處理中，國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)常選用的是聯(lián)合式卡爾曼濾波法，其基本思想是采用一組并行運(yùn)行的濾波器模塊，每一個(gè)模塊只處理某一個(gè)特定傳感器的信息。另外，還采用了一個(gè)“主濾波器”對來自所有局部濾波器的信息進(jìn)行融合。這種結(jié)構(gòu)明顯的優(yōu)勢在于：計(jì)算量平均分布在各個(gè)并行濾波器中，主濾波器的計(jì)算負(fù)擔(dān)不大；具備了多種冗余信息，可以通過適當(dāng)?shù)闹貥?gòu)算法設(shè)計(jì)提供強(qiáng)容錯(cuò)能力。
（2）產(chǎn)生式規(guī)則可以建立自然景象專家系統(tǒng)，根據(jù)多傳感器的檢測數(shù)據(jù)，使用符號來表示環(huán)境特征，這樣可以更全面的反映避障系統(tǒng)的周圍信息，為機(jī)器人的路徑規(guī)劃做準(zhǔn)備。
（3）模糊邏輯法方法是用某種模擬人類的思維習(xí)慣的模型系統(tǒng)地反映機(jī)器人避障系統(tǒng)中多傳感器數(shù)據(jù)融合過程的不確定性，并通過模糊推理來完成數(shù)據(jù)融合，得到預(yù)期的效果。
（4）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是一種仿效生物神經(jīng)系統(tǒng)的信息處理方法，是通過有教師或無師自學(xué)算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，一旦學(xué)習(xí)完成，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就能夠根據(jù)以網(wǎng)絡(luò)權(quán)矩陣和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式存儲(chǔ)的特征信息，基于此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到了一種進(jìn)行決策思維的模型結(jié)構(gòu)，通過綜合來自于系統(tǒng)各種不同傳感器的信息，從中抽取出單一傳感器無法提供的準(zhǔn)確可靠信息，這是在有環(huán)境交互的情況下處理多傳感器信息的一種十分有效的方法。
此方法應(yīng)用到機(jī)器人避障系統(tǒng)多傳感器信息處理中，主要通過傳感器在操作現(xiàn)場獲得環(huán)境信息，過濾和預(yù)處理模塊對傳感信息進(jìn)行修正和數(shù)字化，經(jīng)安全機(jī)制判斷后作為相應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合處理器的輸入源，采用知識(shí)數(shù)據(jù)庫作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合器的選型和知識(shí)來源的輔助決策工具，應(yīng)用程序接收融合結(jié)果，采取相應(yīng)的控制策略，并發(fā)送控制命令給機(jī)器人驅(qū)動(dòng)設(shè)備。這樣可以快速準(zhǔn)確地獲得盡可能多的實(shí)際操作現(xiàn)場的環(huán)境信息，從而有效地完成多傳感器
的信息處理。
2、傳感器信息處理
由于機(jī)器人避障系統(tǒng)中所用的傳感器種類和數(shù)量較多，信息處理較復(fù)雜。應(yīng)用在此系統(tǒng)的信號處理方法主要有小波分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法、免疫算法。
（1）小波分析法
小波變換的基本思想是用一族小波基函數(shù)去表示或逼近——信號，很好地解決了時(shí)間和頻率分辨力的矛盾，適合于對時(shí)變信號進(jìn)行局部分析。
小波變換作為一種新的信號處理方法，近幾年，將小波分析應(yīng)用在機(jī)器人避障系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集傳感器信號檢測分析中，通過對傳感器信號的多尺度分解，濾除被測傳感器信號中混入的噪聲成分，重構(gòu)真實(shí)信號，這樣可以有效提高機(jī)器人避障系統(tǒng)中采樣數(shù)據(jù)的可靠性，進(jìn)而可以提高避障系統(tǒng)的控制精度。另外它還有數(shù)據(jù)壓縮功能，對此系統(tǒng)大量的傳感信號進(jìn)行壓縮處理可以節(jié)省存儲(chǔ)空間，提高運(yùn)算速度。
（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種不需要選取基函數(shù)系的非線性函數(shù)逼近方法。機(jī)器人避障系統(tǒng)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高度非線性描述能力，并利用這一能力對此系統(tǒng)的多傳感器進(jìn)行建模，利用BP算法（誤差反向傳播算法），可以對傳感器輸出信號進(jìn)行濾波、除噪及傳感器的信號識(shí)別，從而使傳感器的輸出信號更精確反映外部環(huán)境信息，為機(jī)器人的路徑規(guī)劃算法做準(zhǔn)備。
這種方法的特點(diǎn)是：不需要機(jī)理方面的細(xì)節(jié)知識(shí)，避免了數(shù)學(xué)建模的不完備性；利用軟件實(shí)現(xiàn)傳感信號的處理，方便靈活，適用性強(qiáng)，免去了硬件電路。
（3）遺傳算法
遺傳算法是按照自然界“優(yōu)勝劣汰，適者生存”法則提出的一種全局優(yōu)化自適應(yīng)概率搜索算法。遺傳算法通過對當(dāng)前群體施加選擇、雜交、變異等一系列操作，產(chǎn)生出新一代的群體，并逐步使群體進(jìn)化到最優(yōu)解狀態(tài)。
遺傳算法被應(yīng)用于機(jī)器人避障系統(tǒng)的傳感信號處理中，首先在一個(gè)采樣周期內(nèi)將實(shí)際傳感器信號均勻采樣N次送入計(jì)算機(jī)，隨機(jī)選擇幾組數(shù)據(jù)作為初始群體。然后循環(huán)進(jìn)行選擇、雜交、變異三種操作，直到達(dá)到給定的要求電壓值為止。在機(jī)器人避障系統(tǒng)中，利用簡單的放大電路和遺傳算法軟件可以在多傳感信號的情況下精確還原傳感信號，提高傳感器信息處理中的測量精度。
（4）免疫算法
免疫算法是一種基于模擬生物體的計(jì)算方法，該算法模擬免疫系統(tǒng)中抗體-抗原的相互作用，通過系統(tǒng)對抗原（輸入信號）的識(shí)別，抗體（標(biāo)樣信號）與抗原間親和力的調(diào)整，以及抗體對抗原的消除來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理。
近幾年來免疫算法也被應(yīng)用于機(jī)器人避障系統(tǒng)的傳感器信號處理中，該方法模擬免疫系統(tǒng)的作用機(jī)制，對此系統(tǒng)復(fù)雜、大量的傳感器信號進(jìn)行處理，可以得到重疊傳感器信號中起決定作用的單組傳感器信息，運(yùn)行速度快，從而可以減少計(jì)算機(jī)處理傳感器信息時(shí)間。
3、傳感器故障診斷
傳感器故障診斷的實(shí)施，能夠保證診斷系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的信息，避免因錯(cuò)誤信息造成的負(fù)效應(yīng)，保證數(shù)據(jù)的正確性，因此傳感器故障診斷是系統(tǒng)實(shí)時(shí)避障的重要保證。應(yīng)用在機(jī)器人避障系統(tǒng)傳感器故障診斷的方法主要有以下幾個(gè)方面：
（1）模糊診斷方法
模糊診斷方法就是以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，依據(jù)系統(tǒng)的傳感器的模糊狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別、推理并作出決策的一種故障診斷方法。
模糊故障診斷方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠充分利用專家經(jīng)驗(yàn)，考慮了故障狀態(tài)及專家經(jīng)驗(yàn)的模糊性，使得診斷結(jié)果更為合理，同時(shí)模糊診斷計(jì)算量相對較小，診斷速度快，實(shí)時(shí)性好，便于在計(jì)算機(jī)上應(yīng)用，且準(zhǔn)確率也較高。經(jīng)常被國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用到機(jī)器人避障系統(tǒng)中，進(jìn)行傳感器輸出結(jié)果的診斷。但模糊故障診斷方法也有其不完善的方面，如隸屬函數(shù)的選取、各個(gè)診斷規(guī)則的運(yùn)用，至今并無同一原則，常依具體問題而定。
（2）離散小波網(wǎng)絡(luò)法
離散小波網(wǎng)絡(luò)法是利用小波網(wǎng)絡(luò)來診斷避障系統(tǒng)中傳感器對象，當(dāng)傳感器對象沒有突變時(shí)，小波網(wǎng)絡(luò)的輸出與診斷避障系統(tǒng)中傳感器對象的輸出差值較小，當(dāng)傳感器有突變時(shí)，小波網(wǎng)絡(luò)的輸出與診斷避障系統(tǒng)中傳感器對象的輸出差值較大，據(jù)此可利用方差檢測出故障。該方法靈活度高，克服噪聲能力強(qiáng)，對輸入信號要求低，不需要對象的數(shù)學(xué)模型。缺點(diǎn)：在大尺度下，由于濾波器時(shí)域?qū)挾容^大，檢測時(shí)會(huì)有一定的延時(shí)。
（3）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法近年來被應(yīng)用于機(jī)器人避障系統(tǒng)中的傳感器故障診斷領(lǐng)域。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種并行處理機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)，且它可以通過學(xué)習(xí)而獲得外界知識(shí)，知識(shí)分布存儲(chǔ)各個(gè)神經(jīng)元之間連接權(quán)值上，它可以完成輸入模式到輸出模式的復(fù)雜映射，具有容錯(cuò)能力強(qiáng)和運(yùn)行速度快的特點(diǎn)。
采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行機(jī)器人避障系統(tǒng)的故障診斷的方法是①選擇系統(tǒng)中關(guān)鍵傳感器輸出作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量，并規(guī)定網(wǎng)絡(luò)的輸出變量值；②選擇合適類型和結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；③根據(jù)所選擇的輸入輸出信號的歷史數(shù)據(jù)，離線對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，獲得網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值或閥值；④在線將前面選擇的輸入輸出數(shù)據(jù)作用于網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)輸出便可給出診斷結(jié)果。
該方法優(yōu)點(diǎn)是不需要準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，可以直接用過程數(shù)據(jù)來解決機(jī)器人避障系統(tǒng)故障診斷問題。但是此方法還存在一些問題，如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如何選取等。此外，在診斷過程中，常常自學(xué)習(xí)，自診斷，因此如何將無導(dǎo)師訓(xùn)練算法引入到傳感器故障診斷領(lǐng)域，也是一直探討的方向。
四、結(jié)論（Conclusion）
智能多關(guān)節(jié)機(jī)器人的實(shí)時(shí)避障問題，是現(xiàn)在機(jī)器人研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。在避障過程中，常常會(huì)面臨無法預(yù)先知道、不可預(yù)測或動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境。機(jī)器人感知環(huán)境的手段通常是不完備的，傳感器給出的數(shù)據(jù)是不完全、不連續(xù)、不可靠的，傳感器信息融合的算法還存在著諸多問題。但由于傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制理論等學(xué)科的深入研究，及傳感器信息處理方法的應(yīng)用，為避障問題的最終解決提供了可能性，但是對于復(fù)雜的應(yīng)用，仍不能令人滿意，因此現(xiàn)存的問題也正是該領(lǐng)域的研究方向。
（1）傳感器融合技術(shù)在近年來被引入到了機(jī)器人避障研究中，并已取得很好的成果，對于目前一些高精度的多關(guān)節(jié)機(jī)器人避障系統(tǒng)采用常規(guī)傳感器還很難滿足性能指標(biāo)，因而開發(fā)新型傳感器或按照一定融合策略構(gòu)造傳感器陣列以彌補(bǔ)單個(gè)傳感器的缺陷，將是重要的研究方向。
（2）人工智能可使機(jī)器人避障系統(tǒng)本身具有較好的柔性和可理解性，同時(shí)還能處理復(fù)雜的問題，因而在未來的數(shù)據(jù)融合技術(shù)中利用人工智能的各種方法，以知識(shí)為基礎(chǔ)構(gòu)成多傳感器數(shù)據(jù)融合仍將是其研究趨勢之一。
（3）為了在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障系統(tǒng)多傳感器數(shù)據(jù)融合，處理器結(jié)構(gòu)將朝并行體行結(jié)構(gòu)發(fā)展，包括傳感器功能的并行結(jié)構(gòu)和算法功能的并行結(jié)構(gòu)。
（4）在一個(gè)智能系統(tǒng)中，使用單一的智能控制方法往往不能取得滿意的效果，應(yīng)綜合采用常規(guī)控制方法和智能控制方法，才能夠取得良好效果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理是避障研究中的兩個(gè)重要工具，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本集的完整性研究尚未取得突破，將事件空間的每一點(diǎn)都作為網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本顯然是不可取的；模糊邏輯推理則側(cè)重于模糊規(guī)則的選取，但有些規(guī)則很難形式化描述，或者必須用大量的規(guī)則描述而增大運(yùn)算量，這樣就背離了模糊邏輯應(yīng)用的初衷，因此近年來提出了基于多組傳感器信息，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對當(dāng)前感知環(huán)境的快速識(shí)別和分類，進(jìn)而利用模糊邏輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全避障的新方法，它將是有潛力的研究方向。
（5）在集中式多傳感器系統(tǒng)研究時(shí)應(yīng)該將仿真技術(shù)和實(shí)時(shí)控制技術(shù)結(jié)合起來，建立集成開發(fā)環(huán)境來處理傳感器信號。對于分布式傳感器系統(tǒng)，應(yīng)尋求一種基于通訊的實(shí)現(xiàn)方法來處理傳感器信號，這是傳感器系統(tǒng)今后發(fā)展方向之一。
（6）機(jī)器人的避障系統(tǒng)愈高級，傳感器就愈多，信息處理愈復(fù)雜，會(huì)遇到多速率采樣問題。但是現(xiàn)有成熟的計(jì)算機(jī)控制理論涉及的都是單速率采樣，即假定系統(tǒng)中所有A/D，D/A通道都以同樣的采樣速率工作。為填補(bǔ)此項(xiàng)空白，就很有必要研究多速率采樣控制系統(tǒng)的建模，分析及設(shè)計(jì)方法。所以，機(jī)器人多傳感器多速率采樣控制系統(tǒng)研究是傳感器系統(tǒng)今后發(fā)展方向之一。
（7）多關(guān)節(jié)機(jī)器人避障系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的智能系統(tǒng)。因而在實(shí)際應(yīng)用中，必須綜合考慮各種功能，這是一個(gè)涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、物理學(xué)等多學(xué)科的跨學(xué)科課題，任何新技術(shù)的出現(xiàn)都可能對該領(lǐng)域的研究帶來突破性進(jìn)展，因而在機(jī)器人研究的同時(shí)，必須密切關(guān)注相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。