翻译结果 基于超声波传感器定位的室内移动机器人

1、基于超声波传感器的室内移动机器人定位系统摘要：本文提出一个用于室内环境下移动机器人判定位置和方向的新方法。该方法不同于先前的基于物体外形来判定的方式。而是通过类如墙壁，转角，边缘等从环境中选择的几何元素作为定位依据。当机器人身处一个环境中移动，它测量出到各种几何元素的距离，应用三角几何的规则，测量位置和角度并修正路径，最后，移动机器人将沿着一条通过它自身传感器设计的路线行进。目前的算法是通过宽范围扫描获得数据。此方法已被试验证明有效，它的性能也有待进一步探索。第一部分，介绍对移动机器人导航来说，测定它的绝对位置是一个基本任务。目前有几种用超声波传感器来测定位置的方法。其中一个是用两个人工信号反

2、馈来测定机器人的当前方位。虽然此方法证实在是成功的，但是，利用环境中内在的特征来定位会更适当。 考虑室内环境下的导航和定位问题，如果户内环境是一个由已知的墙壁，转角和边缘构成的二维平面，机器人完全可以自动识别这些几何元素并且自己判定方位。感应器检查几何学原件的特征的区域称之为定位区域。 在定位区域中，移动机器人旋转其装备的感应器搜寻环境的几何学元件并判断从几何学原件到移动机器人的距离。使用至少两个判定出来的特征点，即可通过简单的几何学的计算来实现机器人定位。上述的过程被视为移动机器人的观测，定位的结果即为通过机器人自己的观测来设计其行进路径。就定位来说，获得几何学元件的距离是不可缺少的。除了边

3、缘，墙壁和拐角容易测量，因为触发边缘的反射是呈衰减状态。由此一个问题产生了，就是边缘区域的弱反射一个Nomadic公司生产的移动机器人被用于处理简单环境，实验显示以上问题是能克服的。 本文由以下几部分组成：第一部分 介绍第二部分 描述超声波感应器系统第三部分 几何学原件的数据识别第四部分 移动机器人定位描述第五部分 实验结果和讨论第六部分 总结第二部分 声纳系统研究中，设置十六个声纳感应器到移动的机器人上用于观测。 这十六个声纳感应器从装置前方逆时针方向编号1-16，见图1图片一 声纳系统人造偏光板转换器含有6500个感应器作为发射机和接收机。 测量距离为15.24厘米至1066.8厘米，误差

4、精确在正负百分之一。TOF排列方法被用于此系统。 声纳系统发出49.4千赫的56周期方波。当内部的线路被重置和稳定时，将有一个空白的时间跟随，随后传感器将作为接收器，反馈已发现的回波给时变增益放大器。此装置的周期性增益作用，用于补偿空气中声波传输损失和衰减。随后放大器输出到一个门槛电路，当数值当超出临界值，脉冲的传输测量开始。第三部分 几何原件的识别我们想要通过分析声纳数据来测定机器人和室内元件之间的几何关系。要点是能正确测量出机器人和几何原件之间的距离面对如图二显示的室内环境状况。第一步，起点为距离墙边130厘米处，沿着W1的平行线路径，朝着目标G1移动。第二步，机器人沿着X轴平行线移动，从

5、起点到目标G2。图二 室内环境示意图3.1 墙壁声纳扫瞄是一个很好的声纳数据表示法。描述距离回应点是在声纳轴线上的延长，对于从起点到G1的过程，两个附近的声纳感应器us13 和us14 的响应点在图片3中显示.。几何原件w1在两个声纳数据差额保持不变时能被识别，us13的响应数据是 129.54 cm，us14的响应数据是 139.7 cm 。当us13从w1处获得的声纳波束能量很高时，门槛电路被触发。因为声纳波束宽度是 25度，而相邻声纳感应器之间角度是 22.5度。因此测量精度很高。当一个机器人相对墙壁以不同的方向移动时，机器人和墙壁之间的距离可以清楚地表达，在这 16 个声纳响应数据之中

6、，最小值被用做相对距离图片3：机器人到w1的距离函数需要注意，当机器人来到墙壁的尽头，us13和us14的响应数据将突变。通过这一信息，机器人可以自我判断其遇到了边缘。3.2 角落当移动机器人从起点运动到目标G2时，需要通过响应数据组来实现定位。依照声纳的功能，当测量数据出现最大值时，角将会被辨认出。比如，从响应数据组来看，当x轴上的150厘米到300厘米之间出现最大值时候，可以辨识出转角。详见图4图4 us5响应数据3.3 边缘虽然墙壁和转角能因反映的讯号而识别，但是对于边缘，很有可能生产一个被分散的讯号，因为衰减，回波变得非常弱。因此，边缘只能在接近的范围被观察到。边缘的几何学轴向将得到最

7、大响应点。也就是说当扫描声纳主轴与边缘的几何轴重合时，会得到声纳的数据组的最小读数。 标准距离和真正距离比较在表格1中表示表格1 辨认结果 G.E: Geometric Element 几何器件 M.P: Measurement Point 测量点 M.B: Main Beam 主柱 R.D: Response Data 回应数据通过上表可知，机器人和边缘之间的距离误差在机器人和一个转角和墙壁之间大些。 为了要修正误差，做一个简单的实验来测试边缘响应点。如图5所示，机器人放置在距离边缘250cm处，朝向边缘移动并在距离边缘20厘米处停止。主波束us1声纳的响应结果在图6所示图5 测量的模型触发

8、边缘响应数据图6 和边缘距离有关的响应数据 当声纳离触发边缘很远，响应数据有一些错误，即我们会发现通常得到的响应数据要比真实的距离大。 此时提出一个一元一次方程序来修正这些错误。 公式1是取决于触发边缘的锐利程度以及触发边缘的方位而改变的叁数。在这次检验中，的数值约 10.32 。在实际中，机器人并非总是刚好面向触发边缘移动。但是机器人能90度旋转定位装置。而且至少将会有三个声纳在转动期间探测到触发边缘。三个声纳的数据如图片7所示。比较这些数值，机器人通过得到两个最靠近的数据并取其平均值作为距离信息，另一个则可以忽略。图7 机器人旋转扫描得到的三个声纳数据最后，如图2所示的环境的声纳扫描结果在

9、图8中显示 图8. 来自周围世界的响应数据第四部分 移动机器人的定位定位的目的是判断出机器人的绝对位置。如图 9 所示, 这两个触发边缘EdgeL 和 EclgeR 的坐标可以通过机器人观测得出，两个几何学的元件之间的距离 De能被计算得到。根据机器人安装的感应器所获得的这两个触发边缘的响应数据。 两个几何元件之間的标准距离Dm能通过三角公式2计算得到。 公式2Dr和Dl是测量出来的EdgeL和EdgeR的响应数据， ij 是声纳传感器usi 和usj之间的角度。 机器人的判断误差通过公式3得到。 公式3图片9 解析几何示图公式3 D 通过机器人能获得的所有响应数据而结合计算。最后，出现一对误

10、差最小的测量数据用于移动机器人的定位。实验证实。当 D 在一个规格之下，测量将变得正确并且能当做一个叁数用于移动机器人的定位。相反，如果 D 比一个容许误差要大，则不能定位，因为超声波感应器不能获得正确响应数据，此时没有声纳对（usi， usj）面对触发边缘。假定移动机器人现在位于一个未知的点（x0, y0)， ，视为原点O。Dr,Dl 和 ij 能从一组响应数据获得。移动机器人的位置就是角度符合 ij 的两个圆的交点。可以使用解析几何的方法解找出两个圆的公共点 （x0, y0) （xo', yo') 。公式为Dl=usj+r and Dr=usi+r（ r是移动机器人的半径）

11、两个圆的焦点点通过公式4获得 公式4如图9所示, 两个特征点P（xo， yo）和 P(xo', yo')被决定。他们的其中之一是机器人的真正位置。这取决于估算位置（xd，yd）的读数。总体而言，比较1 和2，其中中较小的被用于定位。 公式5对于两个几何学元件。例如边缘和角，其处理方法和处理两个边缘的方法是一致的。（见图10)图片10 边缘和转角第五部分 试验 5.1机器人构造实验中用到的机器人是型号Nomad200（见到 Fig.11) Nomad200是一个具有旋转零半径的的圆筒形的机器人，配有三个独立的电动机。 第一个电动机同步控制机器人的三个轮子。 第二个负责转向。 第三

12、的电动机负责控制机器人的转塔。 机器人有 16 个红外光感应器和提供的 16个声纳感应器用于感应最近的障碍， 20个触觉感应器用于感知碰撞 。红外传感器和声纳传感器均匀地放置在旋转塔台的圆周上，触觉感应器则均匀安放在小于机器人自身半径的一个圆周上。同时，它装有一个数据分析系统。图11 Nomad200移动机器人和工作环境5.2 步骤我们执行了一系列实验来测试定位效果。 移动机器人的测试环境如图12所示. 移动机器人被安放在（0.0）点, 以50.8 厘米每秒的速度沿着一个平行于x轴的直线移动。 机器人每前进5厘米修正一次动作。图12 室内环境此外，环境的几何学元件对的数据已经按以下形式被预先输

13、入： 公式6Dci表示两个几何学的元件之間的距离的， xij 和 yij 表示几何学元件的绝对坐标值。5.2.1 位置地带当声纳us5在移动方向上的响应数据突然增加时，机器人判定它遇到触发边缘，如同第 3.1 节描述, 我们说此时机器人进入一个定位地带。为了避免环境的扰动，us5的数据按以下方式进行处理，一个几何学的元件 （此处指一个边缘）在时间 i 被发现，如果三个数据持续符合以下条件： 公式7 叁数取决于测距仪的解析度和几何学的元件外形，它因一系列实验而决定。5.2.2 几何元件的辨识当机器人进入定位区域，将停下来辨认几何学元件。 在十六个声纳响应数据之中，如果一个数据项目少于两个附近的数

14、据，即视为一个边缘被辨认出。相反的，如果一个数据项目大过两个附近的数据 （图l3), 视为一个转角被辨认出。 在两个几何学的元件被辨认出之后，为了要正确测量机器人和几何学的元件之间的距离，机器人将90度旋转转塔并再次观测， 加上旋转后得到的数据，机器人到两个几何学的元件的距离就能通过第 3.2 节中被描述的方法测量。图13 声纳的响应5.2.3 匹配和判断 在测量出机器人到每一个几何学元件的距离之后，任意两个几何原件之间距离Dc能通过计算获得。 总体来说，环境必定含有一些成对的几何学元件。因此机器人通过方程6的数据分析，将最相似的几何原件进行配对就显得非常重要。使用类似方程（3)的方法，分析每

15、个相对于Dei(i 1,2, .,m）的 Di的误差，然后找出 Di 的最小值当做匹配数据。 藉由第 4 节中所描述的方法，机器人能估算出自身方位。5.3 定位结果使用解析几何能计算出机器人的位置。图12显示定位结果 。 机器人起点坐标为（O，O），目标坐标为（710,0)。由于轮子滚动的延误和地面的不规则，机器人没有迅速地移动，而是稍有延误，情况正常，最后，估算位置是 （711.2,0) ，实际位置是（721.2,-20)，声纳的响应数据是149.86 cm 和 190.64 cm，自我判断的位置是（730,-16) 符号表示机器人的真正位置。符号x表示其判定位置。机器人的方位通过匹配观测到

16、的几何学元件位置和他们先前给定的位置来决定。 在这一个检验中，响应数据从声纳感应器us5和us1得到, 定位数据约为16度。 估算结果为22.2度 。实验执行了三次，定位误差在表 2 被列出。表格2 定位结果5.4 导航一间用地板平铺的户内大厅安放两个触发边缘用于移动机器人定位实验。 大厅是大约 5.59 m 乘14.72 m规格，如图 14. 机器人从坐标（O，O）起始，目标位置为坐标（5040,1200)，在实验中，两个触发边缘设置在 （3840,-240）和（4560,-720) ，用于机器人侧位。图14 侧位试验装备超声波导航系统的移动机器人从开动位置移动，向目标位置移动的同时规避障碍。当移动的机器人发现触发边缘时，它进入了定位区域。总体来说，移动机器人定位情况是未知的。 通过前文提及的定位运算法则，机器人进行侧位并制定路径移动。如果定位是成功的，移动机器人将修正它当前方位，并重新设定它的运动路径。第六部分 结论和未来探讨通过使用两个几何学元件作为定位依据使移动机器人定位技术得到发展。本文提出的方法能通过分析用超声纳感应器获得的响应数据而判断机器人方位，第一，通过