移動機器人定位系統(tǒng)設計方案

1、移動機器人定位-傳感器和技術摘要確切的了解車輛的位置是移動機器人應用的一個根本問題.在尋找解決方案時,研究人員和工程師們已經(jīng)開發(fā)出不同的移動機器人定位系統(tǒng)、傳感器以及技術.本文綜述了移動機器人定位相關技術,總結了七種定位系統(tǒng)：1.里程法；2.慣性導航；3.磁羅盤；4.主動引導；5.全球定位系統(tǒng)；6.地標式導航和7.模型匹配.討論了各自的特點,并給出了現(xiàn)有技術的例子.移動機器人導航技術正在蓬勃開展,正在開發(fā)更多的系統(tǒng)和概念.由于這個原因,本文給出的各種例子只代表各自的種類,不表示作者的傾向.在文獻上可以發(fā)現(xiàn)許多巧妙的方法,只是限于篇幅,本文不能引用.1.介紹摘要概述了該技術在傳感器、系統(tǒng)、方法和

2、技術的目標,就是在一個移動機器人的工作環(huán)境中被找到.在測量文獻中討論這個問題,很明顯,不同方法的基準比較是困難的,由于缺乏公認的測試標準和規(guī)的比擬.使用的研究平臺大不相同,用于不同的方法的關鍵假設也大不相同.再進一步,困難源自事實上不同的系統(tǒng)是處在其開展的不同階段.例如,一個系統(tǒng)已經(jīng)可以商業(yè)化；而另一個系統(tǒng),也許有更好的性能,卻只能實驗室條件下作有限的測試.正是由于這些原因,我們一般預防比擬甚至判斷不同系統(tǒng)或技術的表現(xiàn).在這篇文章里,我們也不考慮自動引導車AGV.AGV1用磁帶、地下的引導線、或地面上的彩色條紋在作引導.這些小車不能自由設計路徑,不能改變自己的道路,那樣它們無法響應外部傳感器輸

3、入如避障.然而,感興趣的讀者可能會在Everett,1995找到AG%|導技術調查.也許最重要的移動機器人定位文獻的閱讀結果,正是到目前為止,并沒有真正完美的解決問題的方案.許多局部的解決方法大致分為兩組：絕對的和相對的位置測量.由于缺乏一種完善的方法,開發(fā)移動機器人通常結合兩種方法,從每個小組選一個方法.這些方法可以進一步分為以下七類：I:相對位置的測量也稱為Dead-reckoning1.里程法2.慣性導航II:絕對位置測量基于參考的系統(tǒng)3.磁羅盤4.主動發(fā)射引導5.全球定位系統(tǒng)6.地標式導航7.模型匹配2.傳感器和技術概述在這局部中,我們將概述應用于移動機器人定位的傳感器和技術,也將給出

4、適用的商用系統(tǒng)的實例或證據(jù)充分的研究結果.2.1 距離測量法距離測量法是目前應用最廣泛的移動機器人定位導航方法,它提供了很好的短期精度,很廉價,并允許非常高的采樣率.然而,它的根本的想法是在整個時間里累積增量運動信息,這樣隨著時間的推移,不可預防地導致無限積累誤差.具體地說,定位誤差將導致嚴重的橫向位置誤差,伴隨機器人的行程,按比例增加.盡管有這些限制,大多數(shù)研究人員都認同距離測量是一個機器人的導航系統(tǒng)的重要的組成局部.如果距離測量精度可以提升的話,導航的任務可以簡化.例如Cox1991,Byrne等1992,Chenavier和Crowley1992,提出距離測量數(shù)據(jù)和絕對位置測量融合方法,

5、以獲得更可靠的位置估計.距離測量法是基于簡單的等式見Borenstein等,1996a,當驅動輪的轉數(shù)可以變換成準確的相對于地面的直線位移時,它是精確的.然而,如因車輪打滑以及其他一些更偶然的原因,輪子旋轉可能不是成比例的轉化為線性運動.產生的誤差可分為兩類：系統(tǒng)誤差和非系統(tǒng)誤差Borenstein和Feng,1996.系統(tǒng)錯誤是那些源于機器人運動學的誤差,例如輪子直徑的偏差或相對于理想輪距的不確定性.非系統(tǒng)誤差是那些來自地板與車輪間的相互作用,例如車輪滑動或顛簸和裂縫.通常,當一個移動機器人安裝了里程/地標混合式的導航系統(tǒng),環(huán)境中必須放置的地標的密度,從經(jīng)驗上已經(jīng)決定了基于最壞情況下的系統(tǒng)誤

6、差.一個或多個大型非系統(tǒng)誤差發(fā)生時,這些系統(tǒng)都可能失敗.2.1.1 距離誤差的測量在移動機器人中,一個重要但經(jīng)常遇到的困難是距離誤差的定量測量.缺乏明確定量的距離誤差測量規(guī)導致缺少移動平臺的校準以及在科學交流上可比擬的距離精度.為了解決這個問題,Borenstein和Feng1995開發(fā)出一種方法,定量測量系統(tǒng)的距離誤差,以及在一個有限的程度上的非系統(tǒng)誤差.這個方法,稱為密歇根大學基準UMBmark,它要求移動機器人預先編程自動跟蹤4x4米的正方形和四個現(xiàn)場90度轉彎.這個過程是要在順時針方向cw運動五次和逆時針方向ccw運動5次.Eimxsyst-lliaX&c.grOY.-(1)where

7、Fcg.cw=,#c;g.GJ+(KgckandF口“皿=(XugeJ+rycgciv-50Xmm250-Lcluster-JMMdfijaiU1w.WM1H亡TtHF1cluster-200CenterofgavityofccwrunsFigure1:TypicalresultsfromrunningJMBmark(asquarepathrunfivetimesincwandfivetimesinccwdirections)withanuncalibratedTRCLabMaterobot.100150200由距離法計算得到的機器人最后返回的位置與實際返回位置比擬,將有一個類似如圖1的圖形.

8、圖1的結果可以表達如下：- -順時鐘組和反時鐘組運行后的停止位置分布在兩個完全不同的區(qū)域.- -順時鐘組或反時鐘組部的分布是來自非系統(tǒng)誤差.但是,圖1顯示的是未標定車輛,運行在一個較為光滑的混凝土地面,在總測量誤差中,系統(tǒng)誤差顯著大于非系統(tǒng)誤差誤.- -順時鐘組或反時鐘組運行時不對稱的重心的結果來自兩類系統(tǒng)誤差,統(tǒng)稱為陵和聯(lián)BorensteinandFeng,1996.A類誤差被定義為定位錯誤,它導致減少或增加轉數(shù),而不管是哪個方向正方形運動.相比之下,B型誤差導致減少或增加的轉數(shù),在兩個方向上的作用是相反的.一個典型的A型誤差中輪距的作用是不確定的,而B誤差來源于輪子直徑的不同.實驗進行UM

9、Bmar詬一個數(shù)值,表達了odometric精度相對系統(tǒng)誤差測試車輛可以發(fā)現(xiàn)Borenstein峰,1996:UMBmark試驗的根底上,Borenstein峰1995、1996開發(fā)了一種校準減少系統(tǒng)程序odometry微分傳動車輛的錯誤.在這個過程UMBmark測試在進行連續(xù)五次,公約的方向找到xc.g.,連續(xù)波和xc.g.,公約.從一組方程定義在Borenstein峰,1995;兩個校準常數(shù)發(fā)現(xiàn),這些圖像可以包含在根本odometry計算的機器人.應用該程序幾個differential-drive平臺是一個不斷減少10至U20倍的系統(tǒng)誤差.圖2所示一個典型的校準結果的會議.Emax,系統(tǒng)運

10、行結果對于許多校準時段編織的LabMate機器人與平均Emax,系統(tǒng)=330毫米無標定車輛和Emax,系統(tǒng)=24mm在校準.2.1.2 非系統(tǒng)測量誤差Centerofgravityofcwruns.,aftercorrectionXmm50100150200250Centerofgravityofccwruns,aftercorrectionB&forecarrectinncwBeforecomeclior,ccw Afterconection,cw Aftercorrection,ccw=25口rjiI.ilArFigure2:Positionerrorsaftercompiletionof

11、thebidirectionalsquare-pathexperiment(4x4m).Borenstein峰1995也提出了一種測量方法non-systematic錯誤.這方法UMBmark擴展,可用于比擬不同的機器人在相似的條件,雖然測量誤差少non-systematic有用,由于這得視情況而定強烈的在地板上的特點.然而,使用一套明確的不規(guī)那么性和地板年近的平臺錯誤可能Borenstein1995開展了一種方法非系統(tǒng)性檢測和拒絕在移動機器人odometry錯誤.這方法,兩個合作平臺不斷非系統(tǒng)性相互糾正他們odometry和一定的制度錯誤,即使是在兩個平臺上運動.一個視頻名為“瓣展示這一系統(tǒng)

12、的情況下運行包括在在文獻Borenstein等問題,1996b和Borenstein1995v.一個商業(yè)版本的機器人,如圖3,現(xiàn)在是可彳#到的編織“OmniMate名義下.,是由于它的部odometry誤差修正,OmniMate幾乎完全麻木不仁的撞擊,裂縫,或畸形放在地板上Borenstein,1995.2.2 慣性導航慣性導航使用陀螺儀與加速度計分別測量旋轉的速度和加速度.測量值積分一次或兩次,對加速度計得到位置.慣性導航系統(tǒng)的優(yōu)勢是獨立測量,也就是說不需要外部參考.然而,慣性傳感器數(shù)據(jù)是隨時間漂移的,由于需要積分速率數(shù)據(jù)才能得到位置；任何一點小小的常數(shù)誤差的增加,在積分后是不受約束的.當超

13、出擴展時間周期,慣性傳感器大多不適合.2.2.1 加速度計使用加速度計的測試結果對移動機器人的導航一般是不夠的.來自密歇根大學的研究信息發(fā)現(xiàn),在較低的加速度即在低的速度轉變下,信噪比很低.加速度計有著廣泛的漂移,它們也確實是對地面的不平坦敏感,這是由于來自任何上下不平的地面的干擾將引起重力加速度的一個分量被檢測到.一個低本錢的慣性導航系統(tǒng)被用來克服包括以下傾斜傳感器的問題Barshan和Durrant-Whyte,1993;1995.傾斜傳感器提供的傾斜信息提供應加速度計,以清除在加速度計的每個軸上表現(xiàn)出來的的重力成分.盡管如此,從傾斜補償系統(tǒng)得到的結果說明位置漂移率為1到8厘米/秒0.4-3

14、.1時7秒,這取決于加速度變化的頻率.對大多數(shù)移動機器人的應用來說,這是一個無法接受的誤差率.Figure3:TheOmniMatersacommerciallyavailablefullyomnidirectionalpEatform.Thetwolinkedtrucksmutuallycorrecttheirodometryerrors.2.2.2 陀螺儀陀螺儀也稱為“速度陀螺或者是“陀螺對機器人定位是特別重要的,由于它們可以幫助補償距離測量法最重要的弱點：在一個基于距離測量的定位方法里,任何小的瞬間的定位誤差會導致一個持續(xù)增加的橫向位置誤差.由于這個原因,如果定位誤差能探測到并立即改正,

15、它將是非常有益的.對移動機器人的應用,直到最近,高度精確的陀螺還是太昂貴了.例如,一個高質量的慣性導航系統(tǒng)INS,如那些在一個商用飛機里安裝的,將會有一個典型的工作中漂移大約是每小時1850米1海里,價格由5萬到7萬美金伯,1992.高端INS包用于地面在長距離行程中優(yōu)于0.1%,但價格在10萬美元到20萬美金,而低性能的型號即長距離時1%在2萬至5萬美元之間Dahlin和Krantz,1988.然而,最近光纖陀螺也被稱為“激光陀螺,具有眾所周知的準確度,價格已大幅減少,已成為一個非常有吸引力的移動機器人導航解決方案.Figure4:TheAndrewAUTOGYRONavigator.(Co

16、urtesyofAndrewCorp.)一個商業(yè)上可用激光陀螺是安德魯如圖4.這是一個單軸干預型光纖陀螺于偏振恒持光纖和精密光纖陀螺技術.技術規(guī)格見表1.這種激光陀螺價格在航.ANDRE愜司的“AutogyroNavigator,技術細節(jié)見埃弗雷特,19950它是基ANDREW新型號AutogyroNavigator的1000美元以下,很適合作移動機器人導TableI;Selected加式市cagnsfortheAndrewAutcyroWaator(CourtesyofAndrewCorp).)ParaineterValueUnitsInputrotationrate100,后Instant

17、aneousbandwidth100HzBiasdrift(atstabilizedD.005/srrnstemperature)RMS1E-/hrrmsTemperaturerangeOperating40to+75口CStorage-50to+B5口CWarmuptime1sSize115x90x41mm(excludingconnector)45x3.5x1,6inWeight(total)0,25kg0.55lbPoerAnalog2WPowerDigitalaW2.3 磁羅盤在x,y和8中,根據(jù)其影響相對定位累積誤差情況,車輛航向是最有意義的導航參數(shù).由于這個原因,一個測量航向絕對值

18、的傳感器在解決自主平臺導航需求中是極其重要的.磁羅盤就是這樣一個傳感器.任何磁羅盤都有的一個缺點,就是由于在電線或者鋼結構附近的地球的磁場經(jīng)常被扭曲Byrneetal.,19920使得在室難以直接利用地磁傳感器.基于與地球磁場相關的效應的不同,可用的不同傳感器有：機械磁羅盤；磁通門羅盤；霍爾羅盤；磁阻羅盤；磁彈羅盤.最適合用于移動機器人應用的是磁通門羅盤.只要保持一定的水平姿態(tài),磁通門羅盤將測量地磁場的水平分量,伴隨而來的決定性優(yōu)勢是低功耗、沒有運動部件、容忍沖擊和振動、快速啟動以及相對較低的價格.如果想要車輛在非平坦地形下操作,傳感器線圈應該安裝在平衡架上,預防機械損傷和由地磁場的垂直分量引

19、入的嚴重的誤差.例如：KVH磁通門羅盤Figure5:TheC-1QOfluxgatecompassengine.(CourtesyofKVHJParameterValueUnitsResolution0.1oAccuracy0.50Repeatability0.2DSize46x110mm1.8x4,5inWeighttotal)62gr2.25azPower:Currentdrain0.04ASupplyvoltageS13or13-28VTableII:TechnicalspecificationsfortheKVHC-100fluxgatecompass.(Courtesyof(KVH

20、).KVH工業(yè)公司,Middletown,RI,提供一個完整系列的磁通門羅盤和相關的配件,從廉價的針對個別用戶的單元到專注于軍用的精致復雜的系統(tǒng)KVHo圖5中的C103盤引擎是一種通用、低本錢的低于700美元的開發(fā)套件,包括一個微處理器限制的獨立的磁通門傳感器子系統(tǒng),是基于2軸環(huán)狀核傳感器.C100提供兩個不同的傳感器的選擇:1SE-25傳感器,推薦應用圍傾斜+-16度,和2SE-10傳感器,預期使用傾角+-45度.SE-25傳感器提供的部引導,由浮動在聚碳酸脂容器里的惰性液體中的傳感器線圈提供.SE-10傳感器提供了一個有2級自由度的平衡,在附加的部液體懸掛中搖擺.SE-25傳感器安裝在傳感

21、器PC板,而SE-10懸掛在它的下面.使用一條可選的電纜,該傳感器PC可以與可拆卸的電子PC8別離多達122厘米48口寸.表II給出附加的技術參數(shù).2.4 主動引導主動引導導航系統(tǒng)是船舶和飛機上最常見的導航方式,同樣也常用于商業(yè)移動機器人系統(tǒng).主動引導能被可靠檢測到,能用最小的處理提供精確的定位信息.結果,這一方式允許高采樣率帶來高可靠性,但是也導致安裝和維護的高價格.主動引導的精確安裝要求精確的定位.2種不同類型的主動引導系統(tǒng)都是很著名的：三邊測量和三角測量.2.4.1 三邊測量在三三邊測量法是基于對的主動測量源作距離測量來確定車輛的位置.邊測量導航系統(tǒng)常有三個或更多安裝在環(huán)境中位置的發(fā)射器

22、,而一個接收器安裝在機器人平臺上.也可以相反,在機器人平臺上安裝一個發(fā)射器,而把接收器安裝在墻上.利用發(fā)射到接收的時間信息,系統(tǒng)計算靜止的發(fā)射器到平臺上的接收器之間的距離.在章節(jié)2.5中討論的全球定位系統(tǒng)GPS,就是一個三邊測量的例子.2.4.2三角法Figure6:Thebasictriangulationproblem:arotatingsensorheadmeasuresthetheeanglesAi人力andbetweenthevehicleslongitudinalaxesandthetheesourcesSbS3jandS3j在這個配置中有三個或更多的主動發(fā)射器安裝在位置,如圖6.

23、一個機器人平臺上的旋轉傳感器“看到的三個發(fā)射器的相對于車輪長軸的角度是入1、入2和入3.從這三個測量值,可以算出未知x和y-坐標和未知的車輛定位.這一配置的一個問題是為了得到距離,20米甚至更長,主動發(fā)射器必須聚焦在一個錐形的傳播圍.結果,光束在許多地區(qū)是不可見的,問題在于光束特別暗淡下也必須保證至少三個源看得見.科恩博士和Koss1992進行了三點三角邊長的詳細的分析算法,計算機仿真和驗證了不同算法的性能.結果概括如下：-只有當機器人在三束光線所形成的三角型時,幾何三角法才能工作.如在此三角形之外時幾何方法仍奏效,但這些區(qū)域是很難決定的,是高度依賴于定義角度.-當三束光和機器人都在或接近同一

24、個圓時,幾何圓交會法有很大的誤差.-當初始設想的機器人的位置與方向超出了一定的圍,Newton-Raphso祛行不通.-至少兩束光的航向需要大于90度.任意一對光束白別離角需要大于45度.-總之,上述方法中似乎沒有一個總是單獨適合的,而一個兩種以上的方法的聰明結合幫助克服各自弱點.2.4.3特定三角系統(tǒng)由于他們的技術成熟和商業(yè)適用性,光學三角測量系統(tǒng)已廣泛應用在移動機器人工程中.這些典型的系統(tǒng)包含一些類型的掃描器,與預先安置在環(huán)境中指定位置的參考點一起工作.在實際中會有許多變化埃弗雷特,1995:a掃描探測器與固定光束發(fā)射器；b掃描發(fā)射器/探測器與被動反射目標；掃描發(fā)射器/探測器與主動應答目標

25、；還有d旋轉發(fā)射器和固定檢測目標.例如：MTI研究CONACFigure7:AsingleSTROABbeamsaverticallyspreadlasersignalwhilerotatingat3,000rpm(CourtesyofMTIResearchFigure8:StationaryNOADsarelocatedatknownpositions:atleasttwoNOADsarenetworkedandconnectedtoaPC.(CourtesyofMTIResearch,IncJFigure9;TheCONAC1Msystememploysanonboard,rapidlyr

26、otatingandverticallyspreadlaserbeam,whichsequentiallycontactsthenetworkeddetectors.(CourtesyofMTIResearch,Inc.)一個類似的類型系統(tǒng)使用預定義的網(wǎng)絡fixed-location探測器是由MTI研究公司、Chelmsford,馬MTI.MTI的電腦Opto-電子導航和限制CONAC是一個導航參照系統(tǒng)使用車載激光單元叫做結構化Opto-電子采集信標STROAB,如圖7.掃描激光束垂直傳播消除臨界對齊,使接收機,稱為網(wǎng)絡化光電采集基準NOADs見圖8安裝在任意高度如圖9.檢測的事件觸發(fā)一個NO

27、ADt明的一個反響網(wǎng)絡主機電腦,從而計算出隱含的角度1和2.一個指標納入STROA%感器產生一個旋轉參考脈沖便于航向測量.室精度以厘米或毫米,比0.1o的標題.參考NOAD破安裝在的地點整個中東地區(qū)的興趣.STROA采集圍是三,足以讓NOADS占地面積33000m沒有干預結構塊的看法.另外NOADST能被雇用來增加容錯性和減少模糊籠統(tǒng)如果有兩個或更多的機器人操作近在咫尺.最優(yōu)組由三個NOADS4行選擇主機電腦,基于當前位置的機器人與任何預先定義的視覺障礙.一段錄彳t顯示CONA俠在操作系統(tǒng)包括在Borenstein等問題,1996b.2.5全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)GPS是一種對于室外導航革命性

28、的技術.GPS是國防部的一個聯(lián)合效勞開展方案開發(fā)的.該系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星包括三個備用發(fā)射射頻信號的編碼.采用先進的三邊測量方法,地面接收器可以通過測量衛(wèi)星射頻信號的傳送時間來計算他們的位置,其中包括有關衛(wèi)星瞬間位置.知曉從地面接收機到三顆衛(wèi)星的精確距離,理論上就允許計算接收者的允許計算緯度、經(jīng)度和高度.美國政府成心在時間上和衛(wèi)星位置上參加小誤差以預防某個敵對的國家使用GP9支持精確制導武器投送.這一成心的位置精度的退化到最差時大約100米328英尺,稱為選擇性的可用性SA等問題Gothard條,1993條.沙漠風暴行動以來,選擇性的有效性已經(jīng)在不斷除幾個例外結束.它在1990年8月到1991年7

29、月戰(zhàn)爭中被關閉,通過結合地面軍力以提升商業(yè)手持GPS的接收精度.在另一個場合1992年10月SA也被短暫關閉,空軍進行測試.伯1993就在那時進行了測試,比擬了SA翻開和關閉時的GPS的準確性.GPSK差的靜態(tài)說明它是時間的函數(shù)見圖10,被與1992年10月以前,也就是SA開放時比擬注意圖10中的緩慢變化的誤差,稱SA.通過比照,圖11是SA短暫關閉時的測量值.(CourtesyofByrne_19Q3.)Figure11:TypicalGPSstaticpositionerrorwithSAOff.EE3日丹旺【199渺SA的影響可以通過使用一種眾所周知的差分GPSDGP魂本上消除了.這個概

30、念是基于這樣的前提,即與第一個GPS接收器相當接近例如,10公里或6.2英里以的第二個接收器觀察同一顆衛(wèi)星時將出現(xiàn)根本相同的誤差效應.如果這第二個接收器是固定在一個精確測量位置,那就能夠由位置的第二個接收器產生一個代表在現(xiàn)行條件下該現(xiàn)場的復合誤差向量.差分修正可以然后被傳遞給第一個接收者消除不需要的影響,有效減少商用系統(tǒng)的位置誤差.很多商用GP或收器可提供差分功能.這一點上,一些當?shù)氐碾娕_可為用戶提供差分修正效勞GPS報告,1992,使用DGPST能有許多應用.典型DGPSW度在4到6米13至20英尺,使用更好性能的測量從移動接收機到固定的參考站的距里,誤差還會降低.例如,海岸警衛(wèi)隊在正在所有

31、美國主要港口實施的差分GPS預計為約1m3.3英尺的準確性得到條,1993條.已經(jīng)運行在芝加哥OHare國際機場的一個差分GPSS統(tǒng)可以實時標明即使是移動中的飛機和效勞車輛,精度1米3.3英尺.測量者用差分GPS到達厘米級的精度,但這種做法要求對所收集的數(shù)據(jù)作重要的后處理伯恩,1993.在1992年和199孫貝恩雷蒙德1993在美國新墨西哥州Albuquerque山迪亞國家實驗室進行了一系列的深入比照測試五種不同的GPS1收器.測試重點主要集中在接收機靈敏度,靜止精度、動態(tài)精度、多衛(wèi)星追蹤和time-to-first-fix.更重要的在測試中作了參數(shù)的評估,包括靜態(tài)和動態(tài)的精度,Magnavo

32、x,五個接收器測試結果總結如下.定位精度靜態(tài)定位精度的測量是在測試位置放置MagnavoxGP%|擎接收器采集大約24小時的數(shù)據(jù).靜態(tài)定位誤差圖表如圖10.這個實驗中定位誤差的偏差7的平均值和標準值分別為22米72英尺,16米53英尺.信號的分數(shù)有效性動態(tài)測試數(shù)據(jù)是這樣得到的,在各種不同地形行駛載有設備的車輛.選擇的不同路徑,這樣GPSR收器會受到各種障礙的影響.在市開車包括建筑物、地下通道、招牌、植物.而在典型的山區(qū)和峽谷行駛時有巖石峭壁和植物.還有,在州際和農村高速公路上駕駛會看到大卡車、地下通道、公路標志、建筑物、植物,還有小峽谷.,NoK由Higatlon口,2-DMjwi9iticr

33、%3-DNavigatian動態(tài)測試的結果如圖12;百分比有以下意思：9DEL80JLCityMountainCannonmterateRuraldrlxmgdrivingdrivingh典hqh*,drivndrivingTC.CLeoi50.14D.EL300.20.0.ID.EL05由sTestingEnvironmentFigure12:SummaryofdynamicenvironmentperformancefortheMagnavoxGPSEngine(CourtesyofByme19931X沒有導航?jīng)]有足夠的衛(wèi)星出現(xiàn)在視野中允許定位.二維導航有足夠的衛(wèi)星出現(xiàn)在視野中來確定車輛的

34、x-,y坐標.三維導航最正確數(shù)據(jù).系統(tǒng)可以確定車輛的x-,y-和z-坐標.總之有一點可以斷定,對于許多戶外導航任務,GPSg一個非常強大的工具.利用GPS為移動機器人導航所帶來的問題是:a由于植物和丘陵地形產生信號的周期性堵塞,b多路徑干擾,和c對于主要獨立導航系統(tǒng),位置精度不夠.2.6 地標式導航地標是一個機器人能用它的感官知覺輸入識別出環(huán)境獨特的特點.地標可以是幾何圖形例如,矩形,線,園,也可能包括另外的信息例如,條形碼形式.一般來說,地標具有一個相對于機器人自身的,固定的和的位置.地標都經(jīng)過精心挑選很容易識別,例如,相對于背景必須有足夠的比照.在機器人可以用來當作導航的地標之前,地標的特

35、點必須被了解和儲存在機器人的記憶里.定位的主要容是可靠確實認地標,然后計算出機器人的位置.為了簡化地標的獲得,往往是假定當前機器人的位置和方位大約是的,所以機器人只需要在有限的區(qū)域里尋找地標.由于這個原因,好的距離測量精度是成功進行地標檢測的先決條件.一些方法介于地標和地圖定位見2.7節(jié)之間.它們使用傳感器感知環(huán)境,然后提取獨特的構造作為將來導航的地標.在本節(jié)的容中,我們討論兩種類型的被尋找的地標：“人為的和“天然的地標.重要的是要記住,“自然的地標適宜工作在高度結構化的環(huán)境中,如走廊,制造大廳或醫(yī)院.事實上,一個證據(jù)是,當處于實際“人為如高度結構化的環(huán)境時,“天然地標工作得好.由于這個原因,

36、我們應當定義術語“自然地標和“人工地標如下：天然地標是那些總在環(huán)境中的并具有不同于機器人導航功能的物體或特征；人造地標是專門設計的物體或標記,需要被安置在環(huán)境中,唯一的目的是激發(fā)機器人的導航.2.6.1 自然地標自然地標導航的主要問題是從感覺輸入檢測和匹配特征量.這個任務中傳感器選擇的是計算機視覺.大多數(shù)計算機對自然地標的視覺是長時間的垂直邊沿,如門、墻縫,和天花板上的燈看視頻剪輯,編織在Borenstein等問題,1996bc當距離傳感器用于自然地標式的導航,獨特的特征,如一個角落或一條邊緣,或長直墻等都是不錯的候選特征.選擇的選擇是很重要的,由于它將決定特征描述的復雜性,檢測,和匹配.選擇

37、適當?shù)奶卣饕矔p少歧義的時機和增加定位精度.Example:AECLsARKProjectFigure13:TheARKsnaturallandmarknavigationsystemusesaCCD匚hfti日andtime-of-flightlaserrangsfindertoidentifylandmarksandtomeasurethedistancebetweenlandmarkandrobotCourtesyofAtomicEngyofCanadaLtd.一個系統(tǒng),利用天然的地標共同開展原子能加拿大AECL和安大概省水電技術與從多倫多大學的支持約克大學Jenkin等問題,1993.

38、這個工程針對開展中一個復雜的機器人系統(tǒng)被稱為“機器人環(huán)境柜.約柜的導航模塊機器人如圖13歲.模塊組成的定制pan-and-tilt表、CCD相機,眼睛位置和紅外激光測距.兩VME-based牌,一single-board計算機,提供一個單片機處理水平.這導航模塊被使用在定期地正確機器人的積累odometry錯誤.這系統(tǒng)采用自然等地標字母數(shù)字標志、半永久的結構,或是廊子.使用的唯一標準是地標是與背景顏色和比照場景.約柜導航模塊使用一個有趣的混合方法：系統(tǒng)商店學習地標產生三維灰度表面從一個單一的培訓的形象圖13:方舟的自然的地標導航系統(tǒng)采用CCDf機和一個激光測距識別飛行地標和測量之間的距離地標和

39、機器人.由原子能加拿大的.15得到CCDjg像機.一個粗糙的,注冊圍掃描相同的視野被執(zhí)行采用激光測距儀,給予深度的每一個像素的灰度的外表.兩個程序從的機器人進行位置.后來,在運行過程中,當機器人一個大約從odometry立場在幾米的練習位置,視覺系統(tǒng)尋找這些地標是,希望可以從機器人的瞬間的位置.一旦一個適宜的標志性的發(fā)現(xiàn),在投射的外觀具有里程碑意義的計算.這將是一個外表再用于粗規(guī)相關-基于匹配算法讓機器人的相對距離和軸承的問題那個標志.這個過程可以識別不同天然地標約柜測定其相對位置地標等等.一個視頻剪輯顯示柜系統(tǒng)的情況下運行包括在Borenstein等問題,1996b2.6.2Artifici

40、alLandmarks檢測很容易用人造地標Atiya詹娜與1993,設計最優(yōu)的比照.此外,準確的尺寸和外形是人工路標提前知道.產量的大小和形狀幾何信息的一種財富轉化在透視投影.研究人員使用各種不同的圖案或標志,并且?guī)缀涡螤畹姆椒ê拖嚓P技術Talluri位置估計會作相應的調整和Aggarwal,1993.許多人工具有里程碑意義的定位系統(tǒng)是基于計算機視覺.我們不會在討論這些系統(tǒng)的細節(jié),但將會提及的一些典型的地標建筑使用電腦異象.福井1981用鉆石形的地標,應用最小二乘法找到線提取圖像的飛機.其他系統(tǒng)使用反光材料模式和接二連三的光來緩解分割和參數(shù)提取Lapin,1992分;Mesaki和Masuda

41、,1992.也有系統(tǒng),該系統(tǒng)使用活性例如,領導的圖案,以到達相同的效果Fleury和男爵條,1992條.精度到達上述方法取決于準確的幾何這個具有里程碑意義的圖像的參數(shù)提取圖像的飛機,這反過來要視情況而定在相對位置及角度,機器人與之間的地標.一般來說,精度隨相對距離的增加.通常有一個圍相對轉角哪個好準確度會得到的結果,而精度顯著下降一旦相對功角嗎移出“好的地區(qū).還有各式各樣的地標建筑的結合使用,與材傳感器.最常應用激光掃描反射鏡貼上條碼.例如,工作在移動檢測評估和響應系統(tǒng)MDARS埃弗雷特DeCorte等問題,1994分;,1994分；埃弗雷特1995使用retro-reflectors,那么商

42、用系統(tǒng)從毛毛蟲在他們的車輛導向-高德等問題,1990分；伯條,1992條.這些指標的形狀通常不要緊.相比之下,一個獨特的方法被風丁曉萍.1992用一個圓形的地標應用光學霍夫變換提取橢圓的參數(shù)的形象飛機實時的綜述了landmark-based導航的特點如下：自然地標提供靈活性和無需修改環(huán)境.任何人工路標物美價廉,能有額外的信息編碼成模式或形狀.最大有效距離和標志性的實質上是機器人短于活潑的指標體系.定位精度取決于距離以及機器人與夾角的地標.而具有里程碑意義的導航是不準確的機器人進一步遠離的地標.具有較高的精度,只有當機器人了附近的一個標志.相當大的加工是必要的和活潑的燈塔比系統(tǒng).在許多情況下機載

43、計算機無法自然具有里程碑意義的算法過程實時不夠快運動.環(huán)境條件、照明、問題；在邊緣能見度陸標可能不被認可或者其他物體的環(huán)境與相似的特征可以嗎被誤認為是合法的地標.這是一個極其嚴重的問題,由于它可能會導致一個完全錯誤的決心機器人的位置.地標必須能夠在工作環(huán)境中在機器人.Landmark-based導航需要一個近似起點位置使機器人知道到哪里去尋找陸標.如果起始位置不明,機器人進行耗時的搜索過程.這個搜索過程可能出錯,可能取得一個錯誤的解釋物體在場景里.一個數(shù)據(jù)庫的地標建筑的環(huán)境和他們的位置必須持續(xù).只有有限商業(yè)支持自然landmark-based技術.2.7 Map-basedPositionin

44、g地圖定位基于地圖的定位,也被稱為“地圖匹配是一種技技術,借助于該技術,機器人使用它自己的感受器來創(chuàng)立周圍局部環(huán)境的一個地圖.這一區(qū)域地圖被拿來與以前存放在存儲器里的一個全局性地圖進行比擬.如果找到匹配,那么機器人能計算其實際位置和在環(huán)境中的定位.預存儲的地圖可以是環(huán)境的一種CAD模型,也可以是由以前的傳感器數(shù)據(jù)構建的.地圖定位是有優(yōu)點的,由于它是用典型室環(huán)境的天然結構推導位置,而不改變環(huán)境.同時,隨著一些算法被開發(fā),基于地圖的定位將使一個機器人去學習一個新的環(huán)境,通過探索提升定位精度.地圖定位的缺點是對地圖傳感器的精度有嚴格要求,并要求有足夠的靜止狀態(tài)時問和用于匹配時容易識別的特點.由于具有

45、挑戰(zhàn)性的要求,目前多數(shù)地圖定位工作僅限于實驗室圖設置和相對簡單的環(huán)境.2.7.1 MapBuilding有兩種截然不同的起點定位過程的圖譜.要么是一個已有的圖象,或者機器人必須建造自己的環(huán)境地圖.Rencken1993定義地圖的構建問題,如下：“考慮到機器人的位置與一套測量方法,傳感器看嗎？“很明顯,map-building水平的一次機器人以其傳感水平密切相關.一個問題是有關map-building自主探索Rencken條,1994條.為了建立一個地圖,機器人必須探索未知環(huán)境地圖區(qū)域.典型地,這是假定沒有機器人開始探索任何知識環(huán)境.然后,有一個運動戰(zhàn)略是跟著旨在最大限度地數(shù)量的繪制了最少的地區(qū)

46、.這樣的運動策略被稱為“勘探戰(zhàn)略?,并在強烈的依賴這種傳感器的使用.其中一個例子對一個簡單的探索根據(jù)激光雷達傳感器策略,給出了Edlinger和Puttkamer條,1994條.許多研究人員相信,沒有單一傳感器形態(tài)足以捕捉所有相關單獨一人一個真正的環(huán)境特征.為了克服這一問題,結合數(shù)據(jù)是必要的來自不同傳感器的需求,這一過程被稱之為傳感器融合.例如,Buchberger等.艾爾.1993和1994;1995JCrg開展機制,利用異構信息從一個laser-radar獲得和聲納系統(tǒng)可靠,為了構建完整的世界模型.傳感器融合是一個活躍的研究領域,文學,充滿了技術結合不同類型的傳感器數(shù)據(jù).2.7.2 Map

47、Matching其中一個最重要的和具有挑戰(zhàn)性的方面是導航地圖匹配圖譜,例如,建立之間的對應一個當前局部地圖和地圖Kak儲存全球等問題,1990.在地圖上工作匹配是計算機視覺的社區(qū)通常專注于一般的圖像匹配問題,相對于任意位置定位模型例如,Talluri和Aggarwal,1993.一般來說,匹配的獲得是通過第一次特征提取,其次是確定正確的形象和模型之間的關系特點,通常通過某種形式的約束搜索考克斯條,1991條.討論了兩種不同類型的匹配算法,圖標和“特征,給出了Schaffer等問題,1992.Example:UniversityofKaiserslauternsAngleHistogram一個簡

48、單但是顯然很有效的方法是由Hinkelmap-buildingKnieriemen1988從凱澤斯勞滕大學,德國.這個方法,稱為角度直方圖,使用一個部開發(fā)的雷達.一個典型的瀏覽該雷達顯示圖14.Figure14:Atypicalscanofaroom,producedbytheUniversityofKaiserslauBemsin-housedevelopedlidrsystem.(Courtesyof(tieUniversityofKaiserslautem.)作品的角度直方圖檢測方法如下.首先,一個360度掃描的房間被擄去了用激光雷達,并由此產生“精選被記錄在地圖.然后該算法測量相對功角之間的任何兩個相鄰的安打見圖15.補償后噪閱讀所引起的錯誤在適當?shù)奈恢孟噜彺?角直方圖顯示圖16a可以被建立.統(tǒng)一的主墻的方向作為的山峰清楚可見的角度直方圖.計算直方圖的只有兩個模崛勺結果主要峰：一為每一對平行墻.該算法以強有力的空缺在墻壁,如門窗、甚至柜襯墻.Figure15:Calc