全方位传感器

1、用于机械人行走的一种全方位传感器摘要大部分自动行走机械人只在它们身体之前观察事物，其结果，他们可能和从旁边或从后面 来的物体发生碰撞.为了要克服这个问题，一个全方位范围的传感器系统便孕育而生，它 能依靠激光圆锥平面和一圆锥镜子的作用来获得全(面)方向的深度图.在运动机械人的运 行中,这个预定传感器系统以高的速度旋转激光点光源，从而产生一个激光圆锥平面；这就 产生了一个两维空间深度图，在及时的时间内，一个图像就被捕获一次.物体-感知就有可 能依靠三维空间的深度图来实现，这个三维空间的深度图是建立在先前获得的二维空间深度 图的基础上，是它们的结合，它可以运用在未知环境下机动机器人的物体识别及导航系

2、统中。 (1998 Elsevier科学公司版权所有。)关键字:圆锥镜，激光圆锥平面，灵敏的全方位传感器,深度图；机动机械人1.介绍许多研究员曾经试图使用外部和内在传感器操纵移动机械人行走。这个内 在的传感器是由一个编码器，一个转速计，一个回旋装置和一个加速器组成的， 它是用来确定机械人在的瞬时位置的。这些传感器可以用来探测机器人的绝对运 动，但是如果累积起来的位置错误很多时，他们存在着明显缺陷，这些错误一般 是由机器人运动了长距离时的旋转滑移及变形引起的.外部感应器的目标是要 探测并确定人的位置，这个位置是随着外界环境的变化而相应的变化。视觉，声 纳，激光和触觉传感器都属于外部传感器，而且他

3、们在处理时间，速度，测量结 果和费用都存在差别。关于真有相当高分辨的视觉传感器的研究现在正在这个领 域中积极的开展.然而，大多数的机器人都是从前面来观察事物，这样一来，它 们就可能与从侧面或从后面来的物体发生碰撞，因此，为了解决这个问题，人们 力图获得周围环境的全方位信息。有一些方法是试图在周围环境中安装声纳传感 器，但是其结果是它难以让机器人准确定位。而且，因为反射光谱的强度取决于 方向指向声纳传感器的表面，所以它很难给那些超出一定范围的物体定位。尽管 减少测量误差做了很多的研究(Peremans and Campenhout, 1993)，但都难彻底解决 声纳传感器的低可行性问题。还有一些

4、研究是通过旋转实时飞行器来获得深度数 据(Freund andDierks, 1994; Miller and Wagner, 1987)，但是这种方法以得使用到诸 如用以反射光谱的时间旋转器，偏离器等高精度设备，它们的高成本是又难以接 受的。除此以外，在实时应用中，旋转的摄影机也不适用，因为它需要相当长的 处理时间，并且它测量物体和移动机器人的距离时的不准确。有一些方案运用了 圆锥境(Hong et al., 1991)和双曲面境(Yamazawa et al., 1995)，还有鱼眼镜，一旦图 像被捕捉，它就不能解决测量运行障碍和机器人的距离时的不准确性，而这些数 据对机器人行走又是至关重

5、要的。同时运用一面圆锥镜子和一个声纳传感器的方 法也被尝试(Bang et al., 1995),但是这个方法的缺陷是它是不易确定那些自 我定位的机器人，由于便用声纳传感器带来的的低可行性。为了解决以上研究方法的不足，在移动机器人的行走中，一个全方位传感器系 统便产生了，它装有一个圆锥镜，一个CCD摄影机和一个圆锥激光面，这个新型 系统能产生一个二维深度图，在实时的时间内，再用三维的方法来处理这些图， 就可以捕捉一次图像。这些深度数据是由传感器系统来探测的，它不仅对移动机 器人的导航是必不可少的，而且在自动定位的程序中，用来确定机器人的绝对位 置和方向也是至关重要的。此外，通过运用前面掌握的前

6、面获得的二维深度图的 综合，物体识别也可以实现。这就可能搜集出周围环境的三维深度图。2.传感器系统这种具有特殊性能的圆锥镜子可以被适当地利用在一些放置电压耦合元件 照相机中。为了能利用这些特性，要把圆锥形镜子放置在与电压耦合元件照相机 相互垂直的位置，如图1所示，在研究中为了全方面的测量深度数据，把一个激 光点来源也被放在这个垂直的轴线上，并围绕这个轴形成一个圆锥激光平面。然 后，这个激光点源高速旋转，围绕可移动机器人形成一个激光带，激光带的图象 通过圆锥形镜子被照相机捕捉。这样，激光带即是一个独特的各个方位角上激光 点的集合体。如果那些对应的深度数据用三角测量的方法加以计算分析，一旦图 象被

7、捕获，我们就能获得机器人周围的二维深度数据。这种感应器系统的优点列 举如下。首先，这种感应器系统可以被有效的应用在一些系统例如可移动机器人 中，那需要识别环境中随时随地存在的障碍，因为一旦图象被捕捉，二维的深度 数据就能够快速获得。其次，因为利用一个某一个波长激光源的band-pass滤波 器可以把噪音从图象中祛除，所以建立一个快速简单处理图象的运算法则是可能 的。有关机器人周围环境的深度数据也可以用某种深度测量法则真正地加以计算 和比较，这种法则则使用表格提示的方法。最后，通过垂直控制圆锥形激光表面 的角度，并体现在二维深度图中，通过研究控制了激光角度的二维深度图，可以 发现有关周围环境的三

8、维深度图，然后可以把它三维深度图应用在识别物体等 任务过程中。图2即是这种为可移动机器人建立的传感器系统。21.传感器系统结构这种传感器系统主要图1 .传感器系统的小意图rotating motor分为激光源部分和照 相机探测部分，如图 1所示。激光源部分 由一个激光点组成， 它是整个系统的光的 来源和向各个方向发 射激光的仪器控制部 分。照相机探测部分 有圆锥形镜子、CCD 耦合元件照相机和过 滤器组成，主要用于 获得外部环境的全方 位视野。激光源的中心放置在与圆锥形镜子相互垂直的轴线上。这样做可以形成一个圆锥形激光平 面，而且通过圆锥形镜子反射，照相机就可以获得激光图象。然后用三角测量方

9、法计算和分析所获得的图象，即得到一个关于周围环境的二维深度图。由于获得 一个图象需要1/30秒，所以一个激光马 达必须旋以大约每分钟1800转的速度旋 转，以形成一个激光波面。因为需要1/30秒的时间去捕捉图像，所 以需要激光马达转速达到1800rpm，从 而在这个时间中产生激光束平面。另外， 为了获得机器人周围环境的三维深度图 像，需要高精度步进电机（0.2度/p）垂 直扫描锥度激光平面。conic mirrorCCD camera mobile robot图2.安装在机器人上的传感器系统2. 2传感器系统的射线分析现在，为了从机器人周围环境获得真确的深度资料，需要对被提及的传感器 系统进行

10、射线分析。为了在笛卡尔坐标系描述射线路径，将使用射线方向和表面 法向向量。在下面的描述中，将使用Pa得下标表示矢量点的每个元素。例如， Pa=xa,yb,zaT。意相同的方式，用ub表示射线的方向，用nc表示单元法向节点。 在这里，下标a,b,c,表示矢量的名称。用。表示笛卡儿坐标系中的方位角，0表示极角。当有时要计算移动的射线时，则要变换比例因d,如果光束方向失量P a由ua表示，那么点矢量Pa表示为：Pa=dua (1)该式表示迪卡尔坐标系中的光束可以表示成光束方向矢量和参数d的乘积。 图3表示上述传感器在笛卡尔坐标系中的构架。点激光源高速旋转在机器人周围 环境产生激光带，该激光带通过摄像

11、机锥面镜读到。从这个意义上讲，这个激光 带是由方位角形成的独立的激光点的集合。如果每个激光点相关的深度资料可以 使用三角方法计算出来，那么一旦图像被扑捉，机器人周围环境的二维深度资料 就可以提取出来。因为方位角的光束路径分析方法可以用于所有的方位角，这种 方法可以分析从激光束图像和分析它们得到的特定的方位角激光点的光束路径。 推导出来的距离测量等式可以用娱所有的方位角。现在，为了计算移动机器人的 局部坐标系的起始点和可以测量的目标点的距离，要分细Pm光束路径，七与特定 的方位角。相关。单元表面法向矢量气与锥形镜框c的关系为：mN.、 IIK x V II X/1 + tan?(x/2)cos

12、0csin 化.-tan(i/2)在这里，a二锥面镜矢量角，切线矢量t=-rsin0 , rcos0 W侧面矢量I =ztan(a /2)cos0 ,ztan(a /2)sin0 ,zt.所以，单元表面法向矢量n与图像 框I的关系式为：气顼巴(3)1上式中，iRc是框i相对于框c的旋转矩阵(Craig 1986)。如果这个镜面， 它的表面法向矢量n=l,m,nT,反射方向u%t的光线到方向生夙被反射的光线 方向uutput可以表述成矩阵形式：4奂疽、3*叩夙(4)3*31 - 2P2ml-2nl2mlI - 22nm-2nl2nm1 - 2n-(5)这里M称作反射矩阵(Kingslake 19

13、65),以单元法向矢量n的形式表示：因为需要1/30秒的时间去捕捉图像，所以需要激光马达转速达到1800rpm 从而在这个时间中产生激光束平面。另外，为了获得机器人周围环境的三维深度 图像，需要高精度步进电机(0.2度/p)垂直扫描锥度激光平面。2. 2传感器系统的光线分析现在，为了从机器人周围环境获得真确的深度资料，需要对被提及的传感器系统进行光线分析。为了在笛卡尔坐标系描述光线路径，将使用光线方向和表面 法向向量。在下面的描述中，将使用Pa得下标表示矢量点的每个元素。例如， Pa=xa,yb,zaT。以相同的方式，用ub表示光线的方向，用nc表示单位法向节点。 在这里，下标a,b,c,表示

14、矢量的名称。用。表示笛卡儿坐标系中的方位角，0表 示极角。有时通过变换比例因子d,如果光束方向失量Pa由ua表示，那么点矢量 Pa 表示为：Pa=dua (1)3该式表示迪卡尔坐标系中的光束可以表示成光束方向矢量和参数d的乘积。 图3表示上述传感器在笛卡尔坐标系中的构架。点激光源高速旋转在机器人周围 环境产生激光带，该激光带通过摄像机锥面镜读到。从这个意义上讲，这个激光 带是由方位角形成的独立的激光点的集合。如果每个激光点相关的深度资料可以 使用三角方法计算出来，那么一旦图像被扑捉，机器人周围环境的二维深度资料 就可以提取出来。因为方位角的光束路径分析方法可以用于所有的方位角，这种 方法可以分

15、析从激光束图像和分析它们得到的特定的方位角激光点的光束路径。 推导出来的距离测量等式可以用娱所有的方位角。现在，为了计算移动机器人的cos 0csin (,tan (ot. 2) TOC o 1-5 h z 局部坐标系的起始点和可以测量的目标点的距离，要分细Pm光束路径，Pm与特定 的方位角。相关。单位表面法向矢量nc与锥形镜框c的关系为：mx L1l|NJ| - |tt xlc| - % j | tan2(Dt/2)式中，a =锥面镜矢量角，切线矢量 t-rsin6 c，rcos6 J侧面矢量 I =ztan(a /2)cos6 ,ztan(a /2)sin6 ,zt.所以，单位表面法向矢量

16、n与图像 框I的关系式为： ni=iRcnc (3)这里，iRc是框i相对于框Cc的旋转矩阵(Craig 1986)。如果这个镜面， 它的表面法向矢量n=l,m,nT,反射方向u%t的光线到方向生夙被反射的光线 方向uoutput可以表述成矩阵形式：生缨弘；* (4)这里M3*3称作反射矩阵(Kingslak1965),R单位法向矢量n的形式表示：1 一2产M? x 3 = 2ml-Ini2也J 2/1/1 Im2 2nm2nm 1 2 胃己因此，使用等式4,反射光线的方向可以由镜面的法向矢量和入射的方向决P,单位反射矢量虬,=it-. ii；_ | = sin ；. sin 0； sin 6

17、. cosf； |1.定。将等式(3)中的*代入等式(5)，可以获得反射矩阵Mci。于是，锥形品面上Pc的单位反射矢量uc可由下式得到C1这里，因此，从而，从锥面镜反射点到目标点的光线方程式可以写成:激光束的光线路径P等于:Pl的单元方向矢量iij, 此=Am 如 3% 印一 SLJ1 缶.C0 斯丁这里，如图3所示，目标物体上测量的目标点是Pc和Pl的交叉点。所以，Pl的放大 系数可以如下表示:(9)(10)Pl = LTiPcdL =+ iZyUCy + 妇血-捋片始 + 出打知 + RxzUcz)itz(iJRzxUcx + 次圳 cy + 灯J小或Lx fxxUcx + 知 + iJx

18、zUcz)ULz式中，iTi是激光参照系L相对于图像参照系i的变换矩阵(Craig,1986)。于是，移动机器人局部坐标系原点和目标之间的距离Pm可以得到：P = 1/ Pl.(12i在这里，MT】是移动机器人参照系相对于激光参照系的变换矩阵。然而，因 为机器人的巡逻运动，周围环境的深度信息也是必需的。为了把移动机器人的坐 标系从局部坐标系转变成世界坐标系，必须确定世界参照系W相对于局部参照 系m的变换矩阵mT。这里，移动机器人的转换可以由机器人的自动定位计算得 到，移动机器人的旋转运动可以由陀螺传感器测量。因此，世界坐标系原点和目标之间的距离Pw可以由下式得到：Pw = EP113)从这个意

19、义上讲，因为从扑捉到的图像每个方位角的相关像素点已经得到， 每个像素点的深度信息可以由方程式13计算出来，机器人周围环境的二维深度 信息可以提取出来。2.3传感器系统的设计图4显示为了深度测量沿着基本坐标系的探测部件和目标源的结构布置。为 了简化深度信息的计算，这个传感器系统设计成放在激光源、锥形镜面和CCD 摄像机三者的中心，以便可以对齐Z轴，如图4所示。同源矩阵iTc，xTi5 mTi为：i sin 0t + Mx- cos 句K, = | L f LM j.qin(f) cos 仇1 + tanfa/z)F Msy sin(l)l sin Oj + Mas COS j)jKo = cos

20、 桩K* sin cos 0LKZiK& = cos sin cos (JjKzKe = cos 0； tan(3(/2) cos 0c sin COS Of.尽管仅仅一个参考点就能够用来估计H，但是基于1m, 1.5m, 3m这三点， i每个基点上有相间隔90度的四个参考点，一共十二个参考点可以用以提高精确 度。4广激光波束的顶角为定值90度。表1显示了结果，发现其中535.1mm的 点最有价值。此外，传感器的测量误差包括刻度误差和分辨率误差，这些误差都 属于传感器硬件本身的误差。因此，为了分析被评估的系统参数的误差，就必须 分析和评价传感器系统本身的缺点和测量分辨率。传感器系统的分解。Rd

21、，传感器系统象素的分辨率可以通过传感器上标定的系 统参数计算得到。如果象素之间的真实距离表示为Ap，图象被数码相机捕获并 以640*480的象素模式显示，那么Ap的计算公式如下：Ap = - (mm / 象素)(22)640此时，L二数码相机的单位尺寸。然后，远离图象中心的点k象素的顶角，计算公式如下:因此，Rr传感器系统象素的分辨率能够通过P0(k)和P0(k + 1)(可以由式 12得到)计算得到，计算公式如下：七=PJk + 1)已的(24)通过改变激光源顶角的角度可以改变传感器系统的测量距离分辨率。然而， 大多数可移动机器人都是仅利用二维深度数据来控制行进。因此，为了扩大传感 器系统能

22、够感觉到障碍物的范围，激光波源必须向周围各个方向发射。激光波束 的顶角e乙必须设定为90度。图6显示了 Rd在有效测量距离范围内的变化，即分 辨率在2.6mm40.1mm之间的变化。McasuiciiieiK iiistaiicc:, min图6.测量的仿真结果传感器系统的测量误差。我们做了有关评估传感器系统精确度的实验。实验 模仿上述情形，在有效测量距离范围内每隔10cm取一参考点，共取25个参考点， 并把激光波束的顶角巾乙设定为90度。前后共十次实验用以评估传感器系统的可 重复性。图7(a)显示了真实距离和平均测量误差之间的关系。此外，图7(b)还 给出了真实距离的实验结果和针对真实距离的

23、相对误差之间的关系。我们发现， 传感器系统有平均30.1mm的误差，误差最大值为96.0mm，其为真实距离的1.74%。 此外，测量误差在12.5mm54.5mm之间变化。我们还得到，正如图6象素的模 拟结果所示，测量误差随着目标距离的增加而增加。因此，如果传感器系统分辨率引起的误差被忽略，测量误差的范围就在9.9mm12.5mm之间，这个误差是 由多种因素造成的，包括刻度误差。因此，传感器系统具有大约为30.1mm的平 均测量误差，对于可移动机器人来讲这是一个可以接受的误差值。同样，H.有 式（24）给出，目标的测量高度。丑如图4所示，能够由几何结构计算得出，该 数值为681mm。Oh =（

24、明L）_ lan （90。一叫 2）侦2 （25）如下所示，表2显示了使得可移动机器人正常运行的该传感器系统确定版本 的说明书.3.实验结果为了评估该传感器系统的性能，我们考察了可移动机器人正常运作的二 维深度图。为了减少圆锥镜子捕获到的图象的干扰，该系统附带了一个630nm 的滤波器。并把激光波束的顶角l设定为90度。图8a详细说明了实验条件， 同时图8b显示了旋转的激光点来源所产生的激光波带 二元图象。此外，图 8c实验背景的真实尺寸和传感器系统测到的数据。方位角间隔为0.5度，每 个方位角对应一个深度数据，该深度数据可以通过式12计算得到，每个象 素对应一个方位角。为了得到和每个方位角对

25、应的唯一的象素，我们把图象 稀释并进行再次处理，同时运用寻找质心的方法。图8d显示了真实距离和 传感器系统测到数据的实验结果。测得数据和真实值之间相差不大，实验证 明传感器系统具有较高的精确度。图8e显示了显示了测量误差（测得数据和 真实值差值）同真实值的关系。图中显示，最大测量误差为78.0mm，平均 误差为21.3mm。因此，引起测量误差的原因列举如下。首先，为了从图8b 中找出深度数据，每一个方位角必须对应一个唯一的象素。为此，必须实现 图象稀释过程，这样就会造成1-2个象素的差异。其次，如果实验范围的地 板不是很平整，由于激光发射角度引起的差异就会愈加明显。再次，从图8b 中获得可移动

26、机器人周围环境图象（该图象由圆锥镜子获得）深度数据的运 算法则必须运用三角测量的方法。由此，方位角每间隔0.5度取一个值，根 据对应每个方位角的深度数据运用三角测量方法计算可以得到和方位角相 对应的象素点。然而，因为图象的象素是分离形式的，相对于真实的值有偏 差方位角会引起误差。60 BO 100120140160180 20022Q MO 360JOO*，* ，侦，4.，*土*100120140L60 死02002202402602 BO 300Ral dintancc. cmRcsl diiiflucc, im图7.传感器系统的测量错误（a）测量的实验结果与实际距离的关系（b）实验的相对误

27、差与实际距离的关系表二所应用的传感器系统的参数说明rri：MSPECIFICATIONDiode laserConic mirrorCCD cameraBandpass (11心Focal LengthEffective measurable heightE flee live mea durable distance Rcsclutioi of disiance 乩H”Laser mealing speed over Rcsol. of Ja&er swing angle634 nm, 12 anW (Power lech.)ver tex auglci = 113 , H = 60 mm 1 T (SONY)630 nm7+5 mm0 uini 6R