基于光電傳感器的移動機(jī)器人局部定位系統(tǒng)

1、第23卷第3期開發(fā)與創(chuàng)新2010年5月文章編號：10026673（2010）0300803DevelopmentInnovationofMachineryElectricalProducts機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新May,2010基于光電傳感器的移動機(jī)器人局部定位系統(tǒng)張學(xué)民1，陳西平2，宋述穩(wěn)1（1.空軍第一航空學(xué)院，河南信陽464000；2.河南理工大學(xué)，河南焦作454003）摘要：移動機(jī)器人的定位是實(shí)現(xiàn)智能控制的基礎(chǔ)，目前常用的方法有里程計(jì)定位和視覺定位等。視覺定位常常不能判斷物體的準(zhǔn)確位置，而里程計(jì)定位則存在輪子打滑情況。因此，常遇到因慣性滑動導(dǎo)致定位不準(zhǔn)的情況，以致對輪轉(zhuǎn)的測量數(shù)據(jù)不能作為判

2、斷機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行情況的依據(jù)。本文提出一種利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)局部精確定位的方法，它和視覺定位配合可實(shí)現(xiàn)Robocup足球機(jī)器人的大范圍精確定位。關(guān)鍵詞：移動機(jī)器人；里程計(jì)定位；視覺定位；光電傳感器；Robocup中圖分類號：TP24文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2010.03.003LocalPositioningSystemforMobileRobotBasedonPhotoelectricSensorZHANGXue-Min1，CHENXi-Ping2，SONGShu-Wen1(1.TheFirstAeronauticInstituteofAirFo

3、rce，XinyangHenan464000，China;2.HenanPolytechnicUniversity，JiaozuoHenan454003，China)Abstract:Mobilerobotlocalizationisthebasisforintelligentcontrol,andthecommonlyusedmethodsarevisualorientationandodometerpositioning.Thevisualorientationtotheexactlocationcannotrow,whereastheodometerwheelmayspinorienta

4、tion.Thereas,therotationofthemeasurementdataisdifficulttojudgetheactualmovementoftherobotbecausetheslidinginertiaoftenbeencountered.Inthispaper,aphotoelectricsensortoachieveaccuratelocalpositioningmethodispresented,alargerangeprecisepositioningofRobocuprobotsoccercanberealizedifitisusedwithvisualori

5、entationtogether.Keywords:mobilerobot；odometerpositioning；visualorientation；photoelectricsensor；robocup0引言移動機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)多為輪滑式，特別是重，這種誤差產(chǎn)生丟球也是很常見的。后者只適用于在機(jī)器人靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)進(jìn)行定位，而在運(yùn)動時(shí)，要及時(shí)準(zhǔn)確的反饋機(jī)器人在場地中的位置是很困難的。為解決滑動引起定位不準(zhǔn)的問題，本文提出一種光電傳感器進(jìn)行局部定位的方法，它的基本原理類似光電鼠標(biāo)定位技術(shù)，即不斷從相對移動表面采集圖像，提取特征點(diǎn)從而計(jì)算相對位移量。Robocup中型組足球人。常見的足球機(jī)器人運(yùn)動機(jī)

6、構(gòu)有全方位移動和雙輪差速兩種驅(qū)動方式，為使實(shí)際位置與理論控制位置的高度一致，一般采用將光電編碼器安裝在輪子上，將輪轉(zhuǎn)運(yùn)動進(jìn)行反饋到控制系統(tǒng)進(jìn)行PID控制；或者采用視覺系統(tǒng)對機(jī)器人在場地中的位置作整體定位1。前者對輪子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動控制的再精確也難免產(chǎn)生1測量方法概述傳感器輸出的數(shù)據(jù)實(shí)際上是在采樣周期內(nèi)，測量點(diǎn)在xy方向上相對于參考面累計(jì)位移量的對應(yīng)值。根據(jù)實(shí)際位移量（X，Y）與對應(yīng)值（Xc，Yc）的函數(shù)關(guān)系和采樣周期（T），可以得到該點(diǎn)在采樣周期內(nèi)的平均速度。從將機(jī)器人的平面運(yùn)動分解為平移和轉(zhuǎn)動來看，只要得到任意時(shí)刻機(jī)器人的位置坐標(biāo)（x，y）和方向角，就可以確定機(jī)器人在場地中的位姿。下面具體分析雙輪

7、差速測量方慣性滑動，這種誤差的累積對機(jī)器人位姿的影響十分嚴(yán)收稿日期：20100420作者簡介：張學(xué)民（1972-），男，河南鞏義人，碩士研究生，講師。從事精密儀器的研究與教學(xué)工作，已發(fā)表論文十余篇。陳西平（1971-），男，河南新鄉(xiāng)人，博士，碩士研究生導(dǎo)師。研究領(lǐng)域：機(jī)器人技術(shù)，壓電驅(qū)動及控制。已發(fā)表論文三十余篇。8開發(fā)與創(chuàng)新法。機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型為：00000000000xvy=sin0010000000000000000000cos02實(shí)驗(yàn)裝置（1）根據(jù)這一原理，使用光電傳感器芯片PAN3101構(gòu)造相應(yīng)的硬件平臺，通過適當(dāng)?shù)能浖O(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人位置的確定。00000000000式中：

8、（x，y）位置坐標(biāo)；方向角；v機(jī)器人基點(diǎn)速度；轉(zhuǎn)動角速度。對于雙輪差速機(jī)器人，傳感器采用如圖1所示的安裝方法，O為左右輪的中心點(diǎn)，兩測量點(diǎn)Ol、Or對稱分布在O兩端的軸線上，傳感器Y方向與軸向垂直，兩X方向指向相同。對于這種安裝方法，軸向沒有位移，所以只需要到Y(jié)方向的數(shù)據(jù)（Yl、Yr）。設(shè)、兩點(diǎn)測得的速度分別為Vl、2.1硬件結(jié)構(gòu)PAN3101是一款鼠標(biāo)上普遍使用的光電傳感器，其芯片腹部有一個(gè)感光孔，與透鏡配合構(gòu)成圖像采集部分。外部控制器可通過串口讀取X、Y方向?qū)崟r(shí)位移量對應(yīng)值。它集成了COMS圖像傳感器和DSP；使用18.432MHz晶振；圖像處理速度3000幀/秒；最大移動速度21英寸/秒

9、；提供800CPI輸出2。圖2所示為系統(tǒng)電路圖，傳感器U1、U2串行口分別與單片機(jī)I/O口相連；單片機(jī)的串口通過MAX232電平轉(zhuǎn)換與上位機(jī)TMS320C2407的SCI端口相連。單片機(jī)AT89C2051作為控制器，實(shí)時(shí)采集U1、U2位移信息并進(jìn)行處理，最終將測量數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)。Vr、Or之間距離為l，則：=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，只要得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Vl、Vr，即可確定機(jī)器人位姿。由于采集到的是周期

10、性離散的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表示的是測量點(diǎn)在采樣周期（T）內(nèi)，運(yùn)動軌跡的弧線長度的函數(shù)。在處理時(shí)，將在每個(gè)周期內(nèi)運(yùn)動的弧線近似為直線，第n個(gè)周期測到的弧線長表示為Yl（nT）、Yr（nT），可以得到方便程序計(jì)算的運(yùn)動方程：t圖2系統(tǒng)電路圖Fig.2Circuitofsystem2.2軟件設(shè)計(jì)每個(gè)傳感器測得的位移信息存放在相應(yīng)的X、Y寄存器中，分別用一個(gè)有符號字節(jié)表示，范圍-128127，代表至從上次讀取之后，X或Y方向累計(jì)的位移量，如果超出這一范圍，相應(yīng)的寄存器溢出標(biāo)志位置位。由于這個(gè)范圍表示的數(shù)據(jù)范圍較小，單片機(jī)的一個(gè)主要工作就是不斷從這些寄存器中將數(shù)據(jù)讀出來，累加并保存3x(t)=1y(t)=12(

11、t)=1l(t)+x(0)Y(nT)+Y(nT)cos(t-T)+rln=1t。讀取控制字由2字節(jié)16位組成，最高位（bit15）是讀寫rl(t)+y(0)Y(nT)+Y(nT)sin(t-T)+n=1tT（5）標(biāo)志位，1為寫，0為讀。接下來高字節(jié)的bit14bit8是地址位，分別對應(yīng)傳感器內(nèi)控制或數(shù)據(jù)寄存器的地址,低字節(jié)bit7bit0是控制數(shù)據(jù)。單片機(jī)讀取處理數(shù)據(jù)流程4如圖3所示，Motionstion是傳感器內(nèi)的一個(gè)寄存器，它含有是否檢測到位移的標(biāo)志位。在讀數(shù)據(jù)之前要先讀一次該寄存器。Y(nT)-Y(nT)+(0)rln=1由物體在慣性系中平面運(yùn)動理論可知，已知兩固定點(diǎn)在任意時(shí)刻的速度，

12、即可描述物體運(yùn)動狀態(tài)。傳感器安裝如圖1所示，在感光孔下方安裝透鏡，并與地面正對。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析根據(jù)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)，我們得到了讀取數(shù)據(jù)與實(shí)際位移9開發(fā)與創(chuàng)新量函數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)影響測得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的因素有以下幾點(diǎn)：圖3讀取處理數(shù)據(jù)流程圖Fig.3Flowchartofreadingandhandlingdata3.1程序讀取誤差PAN3101輸出為800CPI，即每測得1英寸位移量，轉(zhuǎn)化成800的量化值，即每移動1mm，對應(yīng)報(bào)告數(shù)約為動距離與讀取值的對應(yīng)關(guān)系，從判定系數(shù)R2=0.9996上看，線性度較為理想。圖5是測量值上下偏差范圍圖，上下偏差范圍不大于2mm，誤差范圍1。32，但考慮到傳感器內(nèi)部用8

13、位有符號數(shù)表示，范圍為-128127，這要求在每移動約4mm過程中至少讀一次，以防止寄存器溢出，按0.5m/s速度計(jì)算，每次讀取最多耗時(shí)約90ms。該系統(tǒng)完成一次讀取耗時(shí)720s，滿足沒有溢出要求。4結(jié)論及展望本文提出一種利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人局部定位的方法，設(shè)計(jì)了硬件平臺，并進(jìn)行了軟件編程。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該方法作為局部定位的可靠性。但要實(shí)際應(yīng)用于機(jī)器人的定位還要解決以下問題：（1）丟幀。即傳感器連續(xù)拍攝的兩幀畫面中，由于移動速度過大，當(dāng)后一幀拍攝時(shí)，移動的距離已超越了前一幀的全部畫面，而沒有得到重合的特征點(diǎn)。解決思路：一是提高傳感器刷新頻率；二是提高分辨率，即增大每幀圖像的覆蓋面積。（2

14、）與采樣面的距離。足球機(jī)器人需要的理想距離至少20mm。（3）采樣面不理想。即高低不平或太光滑，而提取不到特征點(diǎn)。隨著光電傳感器的的刷新率和分辨率的提高，基于光電傳感器的局部定位方法將有廣闊的前景。參考文獻(xiàn)：1JorgeAngeles機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)原理理論、方法和算法M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20043.2圖像采集環(huán)境實(shí)際移動量與讀取數(shù)據(jù)間的函數(shù)關(guān)系與CPI、透鏡規(guī)格、感光孔與采集面距離有關(guān)，但這些條件在足球機(jī)器人應(yīng)用上，是在系統(tǒng)確定后不會隨機(jī)改變的，這個(gè)對應(yīng)關(guān)系可以通過實(shí)驗(yàn)的方法對系統(tǒng)的函數(shù)參數(shù)重新標(biāo)定。3.3干擾問題相對運(yùn)動面的理想程度，光路雜質(zhì)干擾，光源干擾問題。足球機(jī)器人比賽是在標(biāo)準(zhǔn)地毯上進(jìn)行的，沒有上下坡，是相當(dāng)理想的；灰塵雜質(zhì)可能附著在透鏡表面，影響圖像的采集。我們在實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，由于透鏡半徑較小，這個(gè)影響并不是很明顯。對于其它特殊情況，可以采用氣吹的方法除去灰塵；對于光源影響，一般都采用高亮LED獨(dú)立照明，且一般安裝在機(jī)器人底部，故不會受到外界光源干擾。3.4距離關(guān)系標(biāo)定與距離誤差累積的驗(yàn)證由于測量時(shí)會產(chǎn)生誤差，這種誤差會隨著移動距離的增加而累積，我們通過實(shí)驗(yàn)來觀察其誤差程度能否滿足測量需要。實(shí)驗(yàn)方法是：使傳感部分以慢速勻速從理想面滑移10200mm距離（10mm步進(jìn)），分別記錄每個(gè)距離對應(yīng)的讀