基于光电传感器的移动机器人局部定位系统

1、第23卷第3期·开发与创新·2010年5月文章编号：10026673（2010）0300803DevelopmentInnovationofMachineryElectricalProducts机电产品开发与创新May,2010基于光电传感器的移动机器人局部定位系统张学民1，陈西平2，宋述稳1（1.空军第一航空学院，河南信阳464000；2.河南理工大学，河南焦作454003）摘要：移动机器人的定位是实现智能控制的基础，目前常用的方法有里程计定位和视觉定位等。视觉定位常常不能判断物体的准确位置，而里程计定位则存在轮子打滑情况。因此，常遇到因惯性滑动导致定位不准的情况，以致对

2、轮转的测量数据不能作为判断机器人实际运行情况的依据。本文提出一种利用光电传感器实现局部精确定位的方法，它和视觉定位配合可实现Robocup足球机器人的大范围精确定位。关键词：移动机器人；里程计定位；视觉定位；光电传感器；Robocup中图分类号：TP24文献标识码：ALocalPositioningSystemforMobileRobotBasedonPhotoelectricSensorZHANGXue-Min1，CHENXi-Ping2，SONGShu-Wen1(1.TheFirstAeronauticInstituteofAirForce，XinyangHenan464000，China

3、;2.HenanPolytechnicUniversity，JiaozuoHenan454003，China)Abstract:Mobilerobotlocalizationisthebasisforintelligentcontrol,andthecommonlyusedmethodsarevisualorientationandodometerpositioning.Thevisualorientationtotheexactlocationcannotrow,whereastheodometerwheelmayspinorientation.Thereas,therotationofth

4、emeasurementdataisdifficulttojudgetheactualmovementoftherobotbecausetheslidinginertiaoftenbeencountered.Inthispaper,aphotoelectricsensortoachieveaccuratelocalpositioningmethodispresented,alargerangeprecisepositioningofRobocuprobotsoccercanberealizedifitisusedwithvisualorientationtogether.Keywords:mo

5、bilerobot；odometerpositioning；visualorientation；photoelectricsensor；robocup0引言移动机器人的运动机构多为轮滑式，特别是重，这种误差产生丢球也是很常见的。后者只适用于在机器人静止状态时进行定位，而在运动时，要及时准确的反馈机器人在场地中的位置是很困难的。为解决滑动引起定位不准的问题，本文提出一种光电传感器进行局部定位的方法，它的基本原理类似光电鼠标定位技术，即不断从相对移动表面采集图像，提取特征点从而计算相对位移量。Robocup中型组足球人。常见的足球机器人运动机构有全方位移动和双轮差速两种驱动方式，为使实际位置与理论

6、控制位置的高度一致，一般采用将光电编码器安装在轮子上，将轮转运动进行反馈到控制系统进行PID控制；或者采用视觉系统对机器人在场地中的位置作整体定位1。前者对轮子旋转运动控制的再精确也难免产生1测量方法概述传感器输出的数据实际上是在采样周期内，测量点在xy方向上相对于参考面累计位移量的对应值。根据实际位移量（X，Y）与对应值（Xc，Yc）的函数关系和采样周期（T），可以得到该点在采样周期内的平均速度。从将机器人的平面运动分解为平移和转动来看，只要得到任意时刻机器人的位置坐标（x，y）和方向角，就可以确定机器人在场地中的位姿。下面具体分析双轮差速测量方惯性滑动，这种误差的累积对机器人位姿的影响十分

7、严收稿日期：20100420作者简介：张学民（1972-），男，河南巩义人，硕士研究生，讲师。从事精密仪器的研究与教学工作，已发表论文十余篇。陈西平（1971-），男，河南新乡人，博士，硕士研究生导师。研究领域：机器人技术，压电驱动及控制。已发表论文三十余篇。8·开发与创新·法。机器人的运动学模型为：0·0000·0000·00xvy=sin0·010000000000000000000cos02实验装置（1）根据这一原理，使用光电传感器芯片PAN3101构造相应的硬件平台，通过适当的软件设计，即可实现对机器人位置的确定。000000

8、00000式中：（x，y）位置坐标；方向角；v机器人基点速度；转动角速度。对于双轮差速机器人，传感器采用如图1所示的安装方法，O为左右轮的中心点，两测量点Ol、Or对称分布在O两端的轴线上，传感器Y方向与轴向垂直，两X方向指向相同。对于这种安装方法，轴向没有位移，所以只需要到Y方向的数据（Yl、Yr）。设、两点测得的速度分别为Vl、PAN3101是一款鼠标上普遍使用的光电传感器，其芯片腹部有一个感光孔，与透镜配合构成图像采集部分。外部控制器可通过串口读取X、Y方向实时位移量对应值。它集成了COMS图像传感器和DSP；使用18.432MHz晶振；图像处理速度3000帧/秒；最大移动速度21英寸/

9、秒；提供800CPI输出2。图2所示为系统电路图，传感器U1、U2串行口分别与单片机I/O口相连；单片机的串口通过MAX232电平转换与上位机TMS320C2407的SCI端口相连。单片机AT89C2051作为控制器，实时采集U1、U2位移信息并进行处理，最终将测量数据反馈给上位机。Vr、Or之间距离为l，则：=Vr-Vllv=v+v2由式（1）（3）可得到：x(t)=12y(t)=1(t)=1（2）（3）乙(V+V)cosdt+x(0)乙(V+V)sindt+y(0)乙(V-V)dt+(0)0trlrlt0rlt（4）可以看到，只要得到实时数据Vl、Vr，即可确定机器人位姿。由于采集到的是周

10、期性离散的数据，数据表示的是测量点在采样周期（T）内，运动轨迹的弧线长度的函数。在处理时，将在每个周期内运动的弧线近似为直线，第n个周期测到的弧线长表示为Yl（nT）、Yr（nT），可以得到方便程序计算的运动方程：t图2系统电路图system每个传感器测得的位移信息存放在相应的X、Y寄存器中，分别用一个有符号字节表示，范围-128127，代表至从上次读取之后，X或Y方向累计的位移量，如果超出这一范围，相应的寄存器溢出标志位置位。由于这个范围表示的数据范围较小，单片机的一个主要工作就是不断从这些寄存器中将数据读出来，累加并保存3x(t)=1y(t)=12(t)=1l(t)+x(0)Y(nT)+Y

11、(nT)cos(t-T)+rln=1t。读取控制字由2字节16位组成，最高位（bit15）是读写rl(t)+y(0)Y(nT)+Y(nT)sin(t-T)+n=1tT（5）标志位，1为写，0为读。接下来高字节的bit14bit8是地址位，分别对应传感器内控制或数据寄存器的地址,低字节bit7bit0是控制数据。单片机读取处理数据流程4如图3所示，Motionstion是传感器内的一个寄存器，它含有是否检测到位移的标志位。在读数据之前要先读一次该寄存器。Y(nT)-Y(nT)+(0)rln=1由物体在惯性系中平面运动理论可知，已知两固定点在任意时刻的速度，即可描述物体运动状态。传感器安装如图1所

12、示，在感光孔下方安装透镜，并与地面正对。3实验结果与分析根据样机的实验，我们得到了读取数据与实际位移9·开发与创新·量函数的关系，发现影响测得数据准确性的因素有以下几点：图3读取处理数据流程图dataPAN3101输出为800CPI，即每测得1英寸位移量，转化成800的量化值，即每移动1mm，对应报告数约为动距离与读取值的对应关系，从判定系数R2=0.9996上看，线性度较为理想。图5是测量值上下偏差范围图，上下偏差范围不大于2mm，误差范围±1。32，但考虑到传感器内部用8位有符号数表示，范围为-128127，这要求在每移动约4mm过程中至少读一次，以防止寄存器

13、溢出，按0.5m/s速度计算，每次读取最多耗时约90ms。该系统完成一次读取耗时720s，满足没有溢出要求。4结论及展望本文提出一种利用光电传感器实现移动机器人局部定位的方法，设计了硬件平台，并进行了软件编程。通过试验发现该方法作为局部定位的可靠性。但要实际应用于机器人的定位还要解决以下问题：（1）丢帧。即传感器连续拍摄的两帧画面中，由于移动速度过大，当后一帧拍摄时，移动的距离已超越了前一帧的全部画面，而没有得到重合的特征点。解决思路：一是提高传感器刷新频率；二是提高分辨率，即增大每帧图像的覆盖面积。（2）与采样面的距离。足球机器人需要的理想距离至少20mm。（3）采样面不理想。即高低不平或太

14、光滑，而提取不到特征点。随着光电传感器的的刷新率和分辨率的提高，基于光电传感器的局部定位方法将有广阔的前景。参考文献：1JorgeAngeles机器人机械系统原理理论、方法和算法M北京：机械工业出版社，2004实际移动量与读取数据间的函数关系与CPI、透镜规格、感光孔与采集面距离有关，但这些条件在足球机器人应用上，是在系统确定后不会随机改变的，这个对应关系可以通过实验的方法对系统的函数参数重新标定。相对运动面的理想程度，光路杂质干扰，光源干扰问题。足球机器人比赛是在标准地毯上进行的，没有上下坡，是相当理想的；灰尘杂质可能附着在透镜表面，影响图像的采集。我们在实际中发现，由于透镜半径较小，这个影响并不是很明显。对于其它特殊情况，可以采用气吹的方法除去灰尘；对于光源影响，一般都采用高亮LED独立照明，且一般安装在机器人底部，故不会受到外界光源干扰。由于测量时会产生误差，这种误差会随着移动距离的增加而累积，我们通过实验来观察其误差程度能否满足测量需要。实验方法是：使传感部分以慢速匀速从理想面滑移10200mm距离（10mm步进），分别记录每个距离对应的读取数据，