翻譯結(jié)果 基于超聲波傳感器定位的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人

1、基于超聲波傳感器的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人定位系統(tǒng)摘要：本文提出一個(gè)用于室內(nèi)環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人判定位置和方向的新方法。該方法不同于先前的基于物體外形來判定的方式。而是通過類如墻壁，轉(zhuǎn)角，邊緣等從環(huán)境中選擇的幾何元素作為定位依據(jù)。當(dāng)機(jī)器人身處一個(gè)環(huán)境中移動(dòng)，它測(cè)量出到各種幾何元素的距離，應(yīng)用三角幾何的規(guī)則，測(cè)量位置和角度并修正路徑，最后，移動(dòng)機(jī)器人將沿著一條通過它自身傳感器設(shè)計(jì)的路線行進(jìn)。目前的算法是通過寬范圍掃描獲得數(shù)據(jù)。此方法已被試驗(yàn)證明有效，它的性能也有待進(jìn)一步探索。第一部分，介紹對(duì)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航來說，測(cè)定它的絕對(duì)位置是一個(gè)基本任務(wù)。目前有幾種用超聲波傳感器來測(cè)定位置的方法。其中一個(gè)是用兩個(gè)人工信號(hào)反

2、饋來測(cè)定機(jī)器人的當(dāng)前方位。雖然此方法證實(shí)在是成功的，但是，利用環(huán)境中內(nèi)在的特征來定位會(huì)更適當(dāng)。 考慮室內(nèi)環(huán)境下的導(dǎo)航和定位問題，如果戶內(nèi)環(huán)境是一個(gè)由已知的墻壁，轉(zhuǎn)角和邊緣構(gòu)成的二維平面，機(jī)器人完全可以自動(dòng)識(shí)別這些幾何元素并且自己判定方位。感應(yīng)器檢查幾何學(xué)原件的特征的區(qū)域稱之為定位區(qū)域。 在定位區(qū)域中，移動(dòng)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)其裝備的感應(yīng)器搜尋環(huán)境的幾何學(xué)元件并判斷從幾何學(xué)原件到移動(dòng)機(jī)器人的距離。使用至少兩個(gè)判定出來的特征點(diǎn)，即可通過簡(jiǎn)單的幾何學(xué)的計(jì)算來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位。上述的過程被視為移動(dòng)機(jī)器人的觀測(cè)，定位的結(jié)果即為通過機(jī)器人自己的觀測(cè)來設(shè)計(jì)其行進(jìn)路徑。就定位來說，獲得幾何學(xué)元件的距離是不可缺少的。除了邊

3、緣，墻壁和拐角容易測(cè)量，因?yàn)橛|發(fā)邊緣的反射是呈衰減狀態(tài)。由此一個(gè)問題產(chǎn)生了，就是邊緣區(qū)域的弱反射一個(gè)Nomadic公司生產(chǎn)的移動(dòng)機(jī)器人被用于處理簡(jiǎn)單環(huán)境，實(shí)驗(yàn)顯示以上問題是能克服的。 本文由以下幾部分組成：第一部分 介紹第二部分 描述超聲波感應(yīng)器系統(tǒng)第三部分 幾何學(xué)原件的數(shù)據(jù)識(shí)別第四部分 移動(dòng)機(jī)器人定位描述第五部分 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論第六部分 總結(jié)第二部分 聲納系統(tǒng)研究中，設(shè)置十六個(gè)聲納感應(yīng)器到移動(dòng)的機(jī)器人上用于觀測(cè)。 這十六個(gè)聲納感應(yīng)器從裝置前方逆時(shí)針方向編號(hào)1-16，見圖1圖片一 聲納系統(tǒng)人造偏光板轉(zhuǎn)換器含有6500個(gè)感應(yīng)器作為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。 測(cè)量距離為15.24厘米至1066.8厘米，誤差

4、精確在正負(fù)百分之一。TOF排列方法被用于此系統(tǒng)。 聲納系統(tǒng)發(fā)出49.4千赫的56周期方波。當(dāng)內(nèi)部的線路被重置和穩(wěn)定時(shí)，將有一個(gè)空白的時(shí)間跟隨，隨后傳感器將作為接收器，反饋已發(fā)現(xiàn)的回波給時(shí)變?cè)鲆娣糯笃?。此裝置的周期性增益作用，用于補(bǔ)償空氣中聲波傳輸損失和衰減。隨后放大器輸出到一個(gè)門檻電路，當(dāng)數(shù)值當(dāng)超出臨界值，脈沖的傳輸測(cè)量開始。第三部分 幾何原件的識(shí)別我們想要通過分析聲納數(shù)據(jù)來測(cè)定機(jī)器人和室內(nèi)元件之間的幾何關(guān)系。要點(diǎn)是能正確測(cè)量出機(jī)器人和幾何原件之間的距離面對(duì)如圖二顯示的室內(nèi)環(huán)境狀況。第一步，起點(diǎn)為距離墻邊130厘米處，沿著W1的平行線路徑，朝著目標(biāo)G1移動(dòng)。第二步，機(jī)器人沿著X軸平行線移動(dòng)，從

5、起點(diǎn)到目標(biāo)G2。圖二 室內(nèi)環(huán)境示意圖3.1 墻壁聲納掃瞄是一個(gè)很好的聲納數(shù)據(jù)表示法。描述距離回應(yīng)點(diǎn)是在聲納軸線上的延長(zhǎng)，對(duì)于從起點(diǎn)到G1的過程，兩個(gè)附近的聲納感應(yīng)器us13 和us14 的響應(yīng)點(diǎn)在圖片3中顯示.。幾何原件w1在兩個(gè)聲納數(shù)據(jù)差額保持不變時(shí)能被識(shí)別，us13的響應(yīng)數(shù)據(jù)是 129.54 cm，us14的響應(yīng)數(shù)據(jù)是 139.7 cm 。當(dāng)us13從w1處獲得的聲納波束能量很高時(shí)，門檻電路被觸發(fā)。因?yàn)槁暭{波束寬度是 25度，而相鄰聲納感應(yīng)器之間角度是 22.5度。因此測(cè)量精度很高。當(dāng)一個(gè)機(jī)器人相對(duì)墻壁以不同的方向移動(dòng)時(shí)，機(jī)器人和墻壁之間的距離可以清楚地表達(dá)，在這 16 個(gè)聲納響應(yīng)數(shù)據(jù)之中

6、，最小值被用做相對(duì)距離圖片3：機(jī)器人到w1的距離函數(shù)需要注意，當(dāng)機(jī)器人來到墻壁的盡頭，us13和us14的響應(yīng)數(shù)據(jù)將突變。通過這一信息，機(jī)器人可以自我判斷其遇到了邊緣。3.2 角落當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人從起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)G2時(shí)，需要通過響應(yīng)數(shù)據(jù)組來實(shí)現(xiàn)定位。依照聲納的功能，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)最大值時(shí)，角將會(huì)被辨認(rèn)出。比如，從響應(yīng)數(shù)據(jù)組來看，當(dāng)x軸上的150厘米到300厘米之間出現(xiàn)最大值時(shí)候，可以辨識(shí)出轉(zhuǎn)角。詳見圖4圖4 us5響應(yīng)數(shù)據(jù)3.3 邊緣雖然墻壁和轉(zhuǎn)角能因反映的訊號(hào)而識(shí)別，但是對(duì)于邊緣，很有可能生產(chǎn)一個(gè)被分散的訊號(hào)，因?yàn)樗p，回波變得非常弱。因此，邊緣只能在接近的范圍被觀察到。邊緣的幾何學(xué)軸向?qū)⒌玫阶?/p>

7、大響應(yīng)點(diǎn)。也就是說當(dāng)掃描聲納主軸與邊緣的幾何軸重合時(shí)，會(huì)得到聲納的數(shù)據(jù)組的最小讀數(shù)。 標(biāo)準(zhǔn)距離和真正距離比較在表格1中表示表格1 辨認(rèn)結(jié)果 G.E: Geometric Element 幾何器件 M.P: Measurement Point 測(cè)量點(diǎn) M.B: Main Beam 主柱 R.D: Response Data 回應(yīng)數(shù)據(jù)通過上表可知，機(jī)器人和邊緣之間的距離誤差在機(jī)器人和一個(gè)轉(zhuǎn)角和墻壁之間大些。 為了要修正誤差，做一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來測(cè)試邊緣響應(yīng)點(diǎn)。如圖5所示，機(jī)器人放置在距離邊緣250cm處，朝向邊緣移動(dòng)并在距離邊緣20厘米處停止。主波束us1聲納的響應(yīng)結(jié)果在圖6所示圖5 測(cè)量的模型觸發(fā)

8、邊緣響應(yīng)數(shù)據(jù)圖6 和邊緣距離有關(guān)的響應(yīng)數(shù)據(jù) 當(dāng)聲納離觸發(fā)邊緣很遠(yuǎn)，響應(yīng)數(shù)據(jù)有一些錯(cuò)誤，即我們會(huì)發(fā)現(xiàn)通常得到的響應(yīng)數(shù)據(jù)要比真實(shí)的距離大。 此時(shí)提出一個(gè)一元一次方程序來修正這些錯(cuò)誤。 公式1是取決于觸發(fā)邊緣的銳利程度以及觸發(fā)邊緣的方位而改變的叁數(shù)。在這次檢驗(yàn)中，的數(shù)值約 10.32 。在實(shí)際中，機(jī)器人并非總是剛好面向觸發(fā)邊緣移動(dòng)。但是機(jī)器人能90度旋轉(zhuǎn)定位裝置。而且至少將會(huì)有三個(gè)聲納在轉(zhuǎn)動(dòng)期間探測(cè)到觸發(fā)邊緣。三個(gè)聲納的數(shù)據(jù)如圖片7所示。比較這些數(shù)值，機(jī)器人通過得到兩個(gè)最靠近的數(shù)據(jù)并取其平均值作為距離信息，另一個(gè)則可以忽略。圖7 機(jī)器人旋轉(zhuǎn)掃描得到的三個(gè)聲納數(shù)據(jù)最后，如圖2所示的環(huán)境的聲納掃描結(jié)果在

9、圖8中顯示 圖8. 來自周圍世界的響應(yīng)數(shù)據(jù)第四部分 移動(dòng)機(jī)器人的定位定位的目的是判斷出機(jī)器人的絕對(duì)位置。如圖 9 所示, 這兩個(gè)觸發(fā)邊緣EdgeL 和 EclgeR 的坐標(biāo)可以通過機(jī)器人觀測(cè)得出，兩個(gè)幾何學(xué)的元件之間的距離 De能被計(jì)算得到。根據(jù)機(jī)器人安裝的感應(yīng)器所獲得的這兩個(gè)觸發(fā)邊緣的響應(yīng)數(shù)據(jù)。 兩個(gè)幾何元件之間的標(biāo)準(zhǔn)距離Dm能通過三角公式2計(jì)算得到。 公式2Dr和Dl是測(cè)量出來的EdgeL和EdgeR的響應(yīng)數(shù)據(jù)， ij 是聲納傳感器usi 和usj之間的角度。 機(jī)器人的判斷誤差通過公式3得到。 公式3圖片9 解析幾何示圖公式3 D 通過機(jī)器人能獲得的所有響應(yīng)數(shù)據(jù)而結(jié)合計(jì)算。最后，出現(xiàn)一對(duì)誤

10、差最小的測(cè)量數(shù)據(jù)用于移動(dòng)機(jī)器人的定位。實(shí)驗(yàn)證實(shí)。當(dāng) D 在一個(gè)規(guī)格之下，測(cè)量將變得正確并且能當(dāng)做一個(gè)叁數(shù)用于移動(dòng)機(jī)器人的定位。相反，如果 D 比一個(gè)容許誤差要大，則不能定位，因?yàn)槌暡ǜ袘?yīng)器不能獲得正確響應(yīng)數(shù)據(jù)，此時(shí)沒有聲納對(duì)（usi， usj）面對(duì)觸發(fā)邊緣。假定移動(dòng)機(jī)器人現(xiàn)在位于一個(gè)未知的點(diǎn)（x0, y0)， ，視為原點(diǎn)O。Dr,Dl 和 ij 能從一組響應(yīng)數(shù)據(jù)獲得。移動(dòng)機(jī)器人的位置就是角度符合 ij 的兩個(gè)圓的交點(diǎn)。可以使用解析幾何的方法解找出兩個(gè)圓的公共點(diǎn) （x0, y0) （xo', yo') 。公式為Dl=usj+r and Dr=usi+r（ r是移動(dòng)機(jī)器人的半徑）

11、兩個(gè)圓的焦點(diǎn)點(diǎn)通過公式4獲得 公式4如圖9所示, 兩個(gè)特征點(diǎn)P（xo， yo）和 P(xo', yo')被決定。他們的其中之一是機(jī)器人的真正位置。這取決于估算位置（xd，yd）的讀數(shù)?？傮w而言，比較1 和2，其中中較小的被用于定位。 公式5對(duì)于兩個(gè)幾何學(xué)元件。例如邊緣和角，其處理方法和處理兩個(gè)邊緣的方法是一致的。（見圖10)圖片10 邊緣和轉(zhuǎn)角第五部分 試驗(yàn) 5.1機(jī)器人構(gòu)造實(shí)驗(yàn)中用到的機(jī)器人是型號(hào)Nomad200（見到 Fig.11) Nomad200是一個(gè)具有旋轉(zhuǎn)零半徑的的圓筒形的機(jī)器人，配有三個(gè)獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)。 第一個(gè)電動(dòng)機(jī)同步控制機(jī)器人的三個(gè)輪子。 第二個(gè)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向。 第三

12、的電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)塔。 機(jī)器人有 16 個(gè)紅外光感應(yīng)器和提供的 16個(gè)聲納感應(yīng)器用于感應(yīng)最近的障礙， 20個(gè)觸覺感應(yīng)器用于感知碰撞 。紅外傳感器和聲納傳感器均勻地放置在旋轉(zhuǎn)塔臺(tái)的圓周上，觸覺感應(yīng)器則均勻安放在小于機(jī)器人自身半徑的一個(gè)圓周上。同時(shí)，它裝有一個(gè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。圖11 Nomad200移動(dòng)機(jī)器人和工作環(huán)境5.2 步驟我們執(zhí)行了一系列實(shí)驗(yàn)來測(cè)試定位效果。 移動(dòng)機(jī)器人的測(cè)試環(huán)境如圖12所示. 移動(dòng)機(jī)器人被安放在（0.0）點(diǎn), 以50.8 厘米每秒的速度沿著一個(gè)平行于x軸的直線移動(dòng)。 機(jī)器人每前進(jìn)5厘米修正一次動(dòng)作。圖12 室內(nèi)環(huán)境此外，環(huán)境的幾何學(xué)元件對(duì)的數(shù)據(jù)已經(jīng)按以下形式被預(yù)先輸

13、入： 公式6Dci表示兩個(gè)幾何學(xué)的元件之間的距離的， xij 和 yij 表示幾何學(xué)元件的絕對(duì)坐標(biāo)值。5.2.1 位置地帶當(dāng)聲納us5在移動(dòng)方向上的響應(yīng)數(shù)據(jù)突然增加時(shí)，機(jī)器人判定它遇到觸發(fā)邊緣，如同第 3.1 節(jié)描述, 我們說此時(shí)機(jī)器人進(jìn)入一個(gè)定位地帶。為了避免環(huán)境的擾動(dòng)，us5的數(shù)據(jù)按以下方式進(jìn)行處理，一個(gè)幾何學(xué)的元件 （此處指一個(gè)邊緣）在時(shí)間 i 被發(fā)現(xiàn)，如果三個(gè)數(shù)據(jù)持續(xù)符合以下條件： 公式7 叁數(shù)取決于測(cè)距儀的解析度和幾何學(xué)的元件外形，它因一系列實(shí)驗(yàn)而決定。5.2.2 幾何元件的辨識(shí)當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入定位區(qū)域，將停下來辨認(rèn)幾何學(xué)元件。 在十六個(gè)聲納響應(yīng)數(shù)據(jù)之中，如果一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)目少于兩個(gè)附近的數(shù)

14、據(jù)，即視為一個(gè)邊緣被辨認(rèn)出。相反的，如果一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)目大過兩個(gè)附近的數(shù)據(jù) （圖l3), 視為一個(gè)轉(zhuǎn)角被辨認(rèn)出。 在兩個(gè)幾何學(xué)的元件被辨認(rèn)出之后，為了要正確測(cè)量機(jī)器人和幾何學(xué)的元件之間的距離，機(jī)器人將90度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)塔并再次觀測(cè)， 加上旋轉(zhuǎn)后得到的數(shù)據(jù)，機(jī)器人到兩個(gè)幾何學(xué)的元件的距離就能通過第 3.2 節(jié)中被描述的方法測(cè)量。圖13 聲納的響應(yīng)5.2.3 匹配和判斷 在測(cè)量出機(jī)器人到每一個(gè)幾何學(xué)元件的距離之后，任意兩個(gè)幾何原件之間距離Dc能通過計(jì)算獲得。 總體來說，環(huán)境必定含有一些成對(duì)的幾何學(xué)元件。因此機(jī)器人通過方程6的數(shù)據(jù)分析，將最相似的幾何原件進(jìn)行配對(duì)就顯得非常重要。使用類似方程（3)的方法，分析每

15、個(gè)相對(duì)于Dei(i 1,2, .,m）的 Di的誤差，然后找出 Di 的最小值當(dāng)做匹配數(shù)據(jù)。 藉由第 4 節(jié)中所描述的方法，機(jī)器人能估算出自身方位。5.3 定位結(jié)果使用解析幾何能計(jì)算出機(jī)器人的位置。圖12顯示定位結(jié)果 。 機(jī)器人起點(diǎn)坐標(biāo)為（O，O），目標(biāo)坐標(biāo)為（710,0)。由于輪子滾動(dòng)的延誤和地面的不規(guī)則，機(jī)器人沒有迅速地移動(dòng)，而是稍有延誤，情況正常，最后，估算位置是 （711.2,0) ，實(shí)際位置是（721.2,-20)，聲納的響應(yīng)數(shù)據(jù)是149.86 cm 和 190.64 cm，自我判斷的位置是（730,-16) 符號(hào)表示機(jī)器人的真正位置。符號(hào)x表示其判定位置。機(jī)器人的方位通過匹配觀測(cè)到

16、的幾何學(xué)元件位置和他們先前給定的位置來決定。 在這一個(gè)檢驗(yàn)中，響應(yīng)數(shù)據(jù)從聲納感應(yīng)器us5和us1得到, 定位數(shù)據(jù)約為16度。 估算結(jié)果為22.2度 。實(shí)驗(yàn)執(zhí)行了三次，定位誤差在表 2 被列出。表格2 定位結(jié)果5.4 導(dǎo)航一間用地板平鋪的戶內(nèi)大廳安放兩個(gè)觸發(fā)邊緣用于移動(dòng)機(jī)器人定位實(shí)驗(yàn)。 大廳是大約 5.59 m 乘14.72 m規(guī)格，如圖 14. 機(jī)器人從坐標(biāo)（O，O）起始，目標(biāo)位置為坐標(biāo)（5040,1200)，在實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)觸發(fā)邊緣設(shè)置在 （3840,-240）和（4560,-720) ，用于機(jī)器人側(cè)位。圖14 側(cè)位試驗(yàn)裝備超聲波導(dǎo)航系統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人從開動(dòng)位置移動(dòng)，向目標(biāo)位置移動(dòng)的同時(shí)規(guī)避障礙。當(dāng)移動(dòng)的機(jī)器人發(fā)現(xiàn)觸發(fā)邊緣時(shí)，它進(jìn)入了定位區(qū)域。總體來說，移動(dòng)機(jī)器人定位情況是未知的。 通過前文提及的定位運(yùn)算法則，機(jī)器人進(jìn)行側(cè)位并制定路徑移動(dòng)。如果定位是成功的，移動(dòng)機(jī)器人將修正它當(dāng)前方位，并重新設(shè)定它的運(yùn)動(dòng)路徑。第六部分 結(jié)論和未來探討通過使用兩個(gè)幾何學(xué)元件作為定位依據(jù)使移動(dòng)機(jī)器人定位技術(shù)得到發(fā)展。本文提出的方法能通過分析用超聲納感應(yīng)器獲得的響應(yīng)數(shù)據(jù)而判斷機(jī)器人方位，第一，通過