翻譯結果 基于超聲波傳感器定位的室內移動機器人

1、基于超聲波傳感器的室內移動機器人定位系統(tǒng)摘要：本文提出一個用于室內環(huán)境下移動機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，轉角，邊緣等從環(huán)境中選擇的幾何元素作為定位依據(jù)。當機器人身處一個環(huán)境中移動，它測量出到各種幾何元素的距離，應用三角幾何的規(guī)則，測量位置和角度并修正路徑，最后，移動機器人將沿著一條通過它自身傳感器設計的路線行進。目前的算法是通過寬范圍掃描獲得數(shù)據(jù)。此方法已被試驗證明有效，它的性能也有待進一步探索。第一部分，介紹對移動機器人導航來說，測定它的絕對位置是一個基本任務。目前有幾種用超聲波傳感器來測定位置的方法。其中一個是用兩個人工信號反

2、饋來測定機器人的當前方位。雖然此方法證實在是成功的，但是，利用環(huán)境中內在的特征來定位會更適當。 考慮室內環(huán)境下的導航和定位問題，如果戶內環(huán)境是一個由已知的墻壁，轉角和邊緣構成的二維平面，機器人完全可以自動識別這些幾何元素并且自己判定方位。感應器檢查幾何學原件的特征的區(qū)域稱之為定位區(qū)域。 在定位區(qū)域中，移動機器人旋轉其裝備的感應器搜尋環(huán)境的幾何學元件并判斷從幾何學原件到移動機器人的距離。使用至少兩個判定出來的特征點，即可通過簡單的幾何學的計算來實現(xiàn)機器人定位。上述的過程被視為移動機器人的觀測，定位的結果即為通過機器人自己的觀測來設計其行進路徑。就定位來說，獲得幾何學元件的距離是不可缺少的。除了邊

3、緣，墻壁和拐角容易測量，因為觸發(fā)邊緣的反射是呈衰減狀態(tài)。由此一個問題產生了，就是邊緣區(qū)域的弱反射一個Nomadic公司生產的移動機器人被用于處理簡單環(huán)境，實驗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 描述超聲波感應器系統(tǒng)第三部分 幾何學原件的數(shù)據(jù)識別第四部分 移動機器人定位描述第五部分 實驗結果和討論第六部分 總結第二部分 聲納系統(tǒng)研究中，設置十六個聲納感應器到移動的機器人上用于觀測。 這十六個聲納感應器從裝置前方逆時針方向編號1-16，見圖1圖片一 聲納系統(tǒng)人造偏光板轉換器含有6500個感應器作為發(fā)射機和接收機。 測量距離為15.24厘米至1066.8厘米，誤差

4、精確在正負百分之一。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。當內部的線路被重置和穩(wěn)定時，將有一個空白的時間跟隨，隨后傳感器將作為接收器，反饋已發(fā)現(xiàn)的回波給時變增益放大器。此裝置的周期性增益作用，用于補償空氣中聲波傳輸損失和衰減。隨后放大器輸出到一個門檻電路，當數(shù)值當超出臨界值，脈沖的傳輸測量開始。第三部分 幾何原件的識別我們想要通過分析聲納數(shù)據(jù)來測定機器人和室內元件之間的幾何關系。要點是能正確測量出機器人和幾何原件之間的距離面對如圖二顯示的室內環(huán)境狀況。第一步，起點為距離墻邊130厘米處，沿著W1的平行線路徑，朝著目標G1移動。第二步，機器人沿著X軸平行線移動，從

5、起點到目標G2。圖二 室內環(huán)境示意圖3.1 墻壁聲納掃瞄是一個很好的聲納數(shù)據(jù)表示法。描述距離回應點是在聲納軸線上的延長，對于從起點到G1的過程，兩個附近的聲納感應器us13 和us14 的響應點在圖片3中顯示.。幾何原件w1在兩個聲納數(shù)據(jù)差額保持不變時能被識別，us13的響應數(shù)據(jù)是 129.54 cm，us14的響應數(shù)據(jù)是 139.7 cm 。當us13從w1處獲得的聲納波束能量很高時，門檻電路被觸發(fā)。因為聲納波束寬度是 25度，而相鄰聲納感應器之間角度是 22.5度。因此測量精度很高。當一個機器人相對墻壁以不同的方向移動時，機器人和墻壁之間的距離可以清楚地表達，在這 16 個聲納響應數(shù)據(jù)之中

6、，最小值被用做相對距離圖片3：機器人到w1的距離函數(shù)需要注意，當機器人來到墻壁的盡頭，us13和us14的響應數(shù)據(jù)將突變。通過這一信息，機器人可以自我判斷其遇到了邊緣。3.2 角落當移動機器人從起點運動到目標G2時，需要通過響應數(shù)據(jù)組來實現(xiàn)定位。依照聲納的功能，當測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)最大值時，角將會被辨認出。比如，從響應數(shù)據(jù)組來看，當x軸上的150厘米到300厘米之間出現(xiàn)最大值時候，可以辨識出轉角。詳見圖4圖4 us5響應數(shù)據(jù)3.3 邊緣雖然墻壁和轉角能因反映的訊號而識別，但是對于邊緣，很有可能生產一個被分散的訊號，因為衰減，回波變得非常弱。因此，邊緣只能在接近的范圍被觀察到。邊緣的幾何學軸向將得到最

7、大響應點。也就是說當掃描聲納主軸與邊緣的幾何軸重合時，會得到聲納的數(shù)據(jù)組的最小讀數(shù)。 標準距離和真正距離比較在表格1中表示表格1 辨認結果 G.E: Geometric Element 幾何器件 M.P: Measurement Point 測量點 M.B: Main Beam 主柱 R.D: Response Data 回應數(shù)據(jù)通過上表可知，機器人和邊緣之間的距離誤差在機器人和一個轉角和墻壁之間大些。 為了要修正誤差，做一個簡單的實驗來測試邊緣響應點。如圖5所示，機器人放置在距離邊緣250cm處，朝向邊緣移動并在距離邊緣20厘米處停止。主波束us1聲納的響應結果在圖6所示圖5 測量的模型觸發(fā)

8、邊緣響應數(shù)據(jù)圖6 和邊緣距離有關的響應數(shù)據(jù) 當聲納離觸發(fā)邊緣很遠，響應數(shù)據(jù)有一些錯誤，即我們會發(fā)現(xiàn)通常得到的響應數(shù)據(jù)要比真實的距離大。 此時提出一個一元一次方程序來修正這些錯誤。 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)。在這次檢驗中，的數(shù)值約 10.32 。在實際中，機器人并非總是剛好面向觸發(fā)邊緣移動。但是機器人能90度旋轉定位裝置。而且至少將會有三個聲納在轉動期間探測到觸發(fā)邊緣。三個聲納的數(shù)據(jù)如圖片7所示。比較這些數(shù)值，機器人通過得到兩個最靠近的數(shù)據(jù)并取其平均值作為距離信息，另一個則可以忽略。圖7 機器人旋轉掃描得到的三個聲納數(shù)據(jù)最后，如圖2所示的環(huán)境的聲納掃描結果在

9、圖8中顯示 圖8. 來自周圍世界的響應數(shù)據(jù)第四部分 移動機器人的定位定位的目的是判斷出機器人的絕對位置。如圖 9 所示, 這兩個觸發(fā)邊緣EdgeL 和 EclgeR 的坐標可以通過機器人觀測得出，兩個幾何學的元件之間的距離 De能被計算得到。根據(jù)機器人安裝的感應器所獲得的這兩個觸發(fā)邊緣的響應數(shù)據(jù)。 兩個幾何元件之間的標準距離Dm能通過三角公式2計算得到。 公式2Dr和Dl是測量出來的EdgeL和EdgeR的響應數(shù)據(jù)， ij 是聲納傳感器usi 和usj之間的角度。 機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 通過機器人能獲得的所有響應數(shù)據(jù)而結合計算。最后，出現(xiàn)一對誤

10、差最小的測量數(shù)據(jù)用于移動機器人的定位。實驗證實。當 D 在一個規(guī)格之下，測量將變得正確并且能當做一個叁數(shù)用于移動機器人的定位。相反，如果 D 比一個容許誤差要大，則不能定位，因為超聲波感應器不能獲得正確響應數(shù)據(jù)，此時沒有聲納對（usi， usj）面對觸發(fā)邊緣。假定移動機器人現(xiàn)在位于一個未知的點（x0, y0)， ，視為原點O。Dr,Dl 和 ij 能從一組響應數(shù)據(jù)獲得。移動機器人的位置就是角度符合 ij 的兩個圓的交點?？梢允褂媒馕鰩缀蔚姆椒ń庹页鰞蓚€圓的公共點 （x0, y0) （xo', yo') 。公式為Dl=usj+r and Dr=usi+r（ r是移動機器人的半徑）

11、兩個圓的焦點點通過公式4獲得 公式4如圖9所示, 兩個特征點P（xo， yo）和 P(xo', yo')被決定。他們的其中之一是機器人的真正位置。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對于兩個幾何學元件。例如邊緣和角，其處理方法和處理兩個邊緣的方法是一致的。（見圖10)圖片10 邊緣和轉角第五部分 試驗 5.1機器人構造實驗中用到的機器人是型號Nomad200（見到 Fig.11) Nomad200是一個具有旋轉零半徑的的圓筒形的機器人，配有三個獨立的電動機。 第一個電動機同步控制機器人的三個輪子。 第二個負責轉向。 第三

12、的電動機負責控制機器人的轉塔。 機器人有 16 個紅外光感應器和提供的 16個聲納感應器用于感應最近的障礙， 20個觸覺感應器用于感知碰撞 。紅外傳感器和聲納傳感器均勻地放置在旋轉塔臺的圓周上，觸覺感應器則均勻安放在小于機器人自身半徑的一個圓周上。同時，它裝有一個數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。圖11 Nomad200移動機器人和工作環(huán)境5.2 步驟我們執(zhí)行了一系列實驗來測試定位效果。 移動機器人的測試環(huán)境如圖12所示. 移動機器人被安放在（0.0）點, 以50.8 厘米每秒的速度沿著一個平行于x軸的直線移動。 機器人每前進5厘米修正一次動作。圖12 室內環(huán)境此外，環(huán)境的幾何學元件對的數(shù)據(jù)已經按以下形式被預先輸

13、入： 公式6Dci表示兩個幾何學的元件之間的距離的， xij 和 yij 表示幾何學元件的絕對坐標值。5.2.1 位置地帶當聲納us5在移動方向上的響應數(shù)據(jù)突然增加時，機器人判定它遇到觸發(fā)邊緣，如同第 3.1 節(jié)描述, 我們說此時機器人進入一個定位地帶。為了避免環(huán)境的擾動，us5的數(shù)據(jù)按以下方式進行處理，一個幾何學的元件 （此處指一個邊緣）在時間 i 被發(fā)現(xiàn)，如果三個數(shù)據(jù)持續(xù)符合以下條件： 公式7 叁數(shù)取決于測距儀的解析度和幾何學的元件外形，它因一系列實驗而決定。5.2.2 幾何元件的辨識當機器人進入定位區(qū)域，將停下來辨認幾何學元件。 在十六個聲納響應數(shù)據(jù)之中，如果一個數(shù)據(jù)項目少于兩個附近的數(shù)

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

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

16、的幾何學元件位置和他們先前給定的位置來決定。 在這一個檢驗中，響應數(shù)據(jù)從聲納感應器us5和us1得到, 定位數(shù)據(jù)約為16度。 估算結果為22.2度 。實驗執(zhí)行了三次，定位誤差在表 2 被列出。表格2 定位結果5.4 導航一間用地板平鋪的戶內大廳安放兩個觸發(fā)邊緣用于移動機器人定位實驗。 大廳是大約 5.59 m 乘14.72 m規(guī)格，如圖 14. 機器人從坐標（O，O）起始，目標位置為坐標（5040,1200)，在實驗中，兩個觸發(fā)邊緣設置在 （3840,-240）和（4560,-720) ，用于機器人側位。圖14 側位試驗裝備超聲波導航系統(tǒng)的移動機器人從開動位置移動，向目標位置移動的同時規(guī)避障礙。當移動的機器人發(fā)現(xiàn)觸發(fā)邊緣時，它進入了定位區(qū)域?？傮w來說，移動機器人定位情況是未知的。 通過前文提及的定位運算法則，機器人進行側位并制定路徑移動。如果定位是成功的，移動機器人將修正它當前方位，并重新設定它的運動路徑。第六部分 結論和未來探討通過使用兩個幾何學元件作為定位依據(jù)使移動機器人定位技術得到發(fā)展。本文提出的方法能通過分析用超聲納感應器獲得的響應數(shù)據(jù)而判斷機器人方位，第一，通過