南极是地球上目前唯一未被开发、未被污染的洁净大陆，对于人类认知地球（特别是全球气候研究）有着不可替代的关键作用，南极铁、煤、海洋生物、油气蕴藏巨大，使其在全球资源中占据重要战略地位。极地科学考察是我国重大科学工程之一，南极科学考察是中国极地科考的重要内容，然而南极恶劣的自然环境，如低温、强风、强紫外线、多冰裂隙等严重限制了科考人员对极地的探索和研究。近几年来，移动机器人在探索未知环境领域，如月球、火星、水下、南北极等，发挥着越来越重要的作用，世界许多国家都在积极的发展移动机器人技术，期望移动机器人能够部分或完全取代科考人员在极地环境下执行科考任务。

    这篇名为“长航程极地漫游机器人环境建模方法研究”的研究论文发表于近期出版的《科学通报》，该论文结合极地环境特征针对长航程极地漫游机器人自主导航的需求对环境建模方法进行了研究。该论文由中国科学院沈阳自动化研究所（沈自所）机器人学国家重点实验室极地机器人项目组撰写。

       为了降低中国南极科考成本与风险，沈自所结合中国南极科学考察队现场科考需求从2007年至今先后研制了三代极地漫游机器人。南极地面环境多样，包括岩石、沙土、冰雪面等多种材质。为了适应南极复杂地形环境，第一代极地机器人采用两条主履带、四条摆臂履带作为其移动机构，并于2007年首次登陆南极开展了移动机构实地测试。第二代极地机器人在总结分析现场实验结果的基础上对移动机器人的移动机构进行了简化，在适应南极环境的前提下提高了机器人系统的可靠性。第一、二代极地机器人主要采用遥控操作，仅能在视距范围内作业，其自主行为能力较低、作业区域较小。针对这些问题，沈自所进一步研发了第三代长航程极地漫游机器人，并进行了南极现场实验测试。

        为了提高其长航程、长时间作业能力、系统可靠性，第三代极地机器人采用全地形车作为机器人底盘。机器人系统采用油电混合动力，机器人本体由汽油发动机驱动，机器人搭载的传感器、执行机构、计算机系统及载荷系统等由锂离子电池驱动。机器人移动机构由四条三角履带构成，极大地提高了机器人对南极地面环境的适应能力。由于南极地面环境存在部分障碍物，机器人操作人员需要遥控机器人进行躲避。为了简化机器人操作，该工作对第三代极地机器人自主导航进行了研究。机器人的自主导航是建立在其对所处环境的认知基础之上，即机器人需要在线构建环境模型，并对环境模型进行分析，辨识障碍物并进行躲避。相对于常规的自主导航机器人，长航程极地漫游机器人在南极地面高速运动时震动较为剧烈，搭载传感器及计算机系统由于受环境限制性能较低。针对这些问题，该研究提出了多尺度2.5维概率栅格高程图。该高程图从空间尺度对机器人周边环境进行精细及粗略两种划分以适应不同的环境模型精度要求及建模实时性要求。从概率尺度，该高程图首先采用卡尔曼滤波器融合量测点不确定性对精细栅格高程值进行估计，再采用概率统计对粗略栅格高程值进行估计。基于多尺度2.5维概率栅格高程图构建的环境模型能够在机器人本体位姿量测误差较大的情况下对机器人周边环境进行精确建模，进一步使得机器人能够更为准确的辨识障碍物。同时,研究结合极地环境常见障碍物冰裂隙对环境模型的插值问题进行了研究，提出了基于假设检验的插值方法。该方法可以在对构建的环境模型进行插值的同时保留冰裂隙区域。

        第三代极地机器人于2011-2012年参加中国第28次南极科学考察，并进行了现场实验测试。南极现场实验在中山站（69.4672^。S，76.2975^。E）附近区域进行，主要对漫游机器人的移动机构性能、GPS路径点跟踪、自主避障导航、探冰雷达搭载应用等进行了测试。机器人在南极典型地面最高移动速度可达36.7km/h，最大爬坡角度22^。。机器人最大巡航里程40km，最远通讯距离10.2km。GPS点跟踪模式自主巡航里程30.35km，自主避障导航模式巡航里程累积达7km。最高自主巡航速度19.2km/h，平均自主巡航速度11.2km/h。机器人通过拖拽方式搭载探冰雷达并采集了有效的冰层数据，对机器人在南极科考中的实际应用进行了验证。

        第三代极地机器人在南极的实验验证表明，长航程极地漫游机器人能够在一定程度上取代科考人员在南极进行大范围科考作业。同时，为了将机器人作为科考设备装备，中国南极科考队还需要对机器人系统进一步的改进：1）从通讯系统、动力系统及供电系统等方面进一步提高机器人的科考作业半径；2）对机器人自主避障导航算法进行改进，进一步提高机器人的自主行为能力及系统可靠性；3）搭载探冰雷达、机械臂、小型气象站等设备进一步提高机器人的科考作业能力；4）改进机器人系统人机交互软件，进一步方便操作人员操作机器人。

来源论文：

陈成, 卜春光, 何玉庆, 韩建达. 长航程极地漫游机器人环境建模方法. 科学通报, 2013, 58(S2): 75-82.

论文链接：http://csb.scichina.com:8080/kxtb/CN/10.1360/972013-942