基于光電傳感器的移動機器人局部定位系統(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機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新May,2010基于光電傳感器的移動機器人局部定位系統(tǒng)張學民1，陳西平2，宋述穩(wěn)1（1.空軍第一航空學院，河南信陽464000；2.河南理工大學，河南焦作454003）摘要：移動機器人的定位是實現(xiàn)智能控制的基礎，目前常用的方法有里程計定位和視覺定位等。視覺定位常常不能判斷物體的準確位置，而里程計定位則存在輪子打滑情況。因此，常遇到因慣性滑動導致定位不準的情況，以致對輪轉(zhuǎn)的測量數(shù)據(jù)不能作為判

2、斷機器人實際運行情況的依據(jù)。本文提出一種利用光電傳感器實現(xiàn)局部精確定位的方法，它和視覺定位配合可實現(xiàn)Robocup足球機器人的大范圍精確定位。關鍵詞：移動機器人；里程計定位；視覺定位；光電傳感器；Robocup中圖分類號：TP24文獻標識碼：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引言移動機器人的運動機構多為輪滑式，特別是重，這種誤差產(chǎn)生丟球也是很常見的。后者只適用于在機器人靜止狀態(tài)時進行定位，而在運動時，要及時準確的反饋機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的問題，本文提出一種光電傳感器進行局部定位的方法，它的基本原理類似光電鼠標定位技術，即不斷從相對移動表面采集圖像，提取特征點從而計算相對位移量。Robocup中型組足球人。常見的足球機器人運動機

6、構有全方位移動和雙輪差速兩種驅(qū)動方式，為使實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)運動進行反饋到控制系統(tǒng)進行PID控制；或者采用視覺系統(tǒng)對機器人在場地中的位置作整體定位1。前者對輪子旋轉(zhuǎn)運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)實際上是在采樣周期內(nèi)，測量點在xy方向上相對于參考面累計位移量的對應值。根據(jù)實際位移量（X，Y）與對應值（Xc，Yc）的函數(shù)關系和采樣周期（T），可以得到該點在采樣周期內(nèi)的平均速度。從將機器人的平面運動分解為平移和轉(zhuǎn)動來看，只要得到任意時刻機器人的位置坐標（x，y）和方向角，就可以確定機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器人位姿的影響十分嚴收稿日期：20100420作者簡介：張學民（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，碩士研究生導師。研究領域：機器人技術，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。機器人的運動學模型為：00000000000xvy=sin0010000000000000000000cos02實驗裝置（1）根據(jù)這一原理，使用光電傳感器芯片PAN3101構造相應的硬件平臺，通過適當?shù)能浖O計，即可實現(xiàn)對機器人位置的確定。00000000000式中：

8、（x，y）位置坐標；方向角；v機器人基點速度；轉(zhuǎn)動角速度。對于雙輪差速機器人，傳感器采用如圖1所示的安裝方法，O為左右輪的中心點，兩測量點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方向的數(shù)據(jù)（Yl、Yr）。設、兩點測得的速度分別為Vl、2.1硬件結構PAN3101是一款鼠標上普遍使用的光電傳感器，其芯片腹部有一個感光孔，與透鏡配合構成圖像采集部分。外部控制器可通過串口讀取X、Y方向?qū)崟r位移量對應值。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I/O口相連；單片機的串口通過MAX232電平轉(zhuǎn)換與上位機TMS320C2407的SCI端口相連。單片機AT89C2051作為控制器，實時采集U1、U2位移信息并進行處理，最終將測量數(shù)據(jù)反饋給上位機。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，只要得到實時數(shù)據(jù)Vl、Vr，即可確定機器人位姿。由于采集到的是周期

10、性離散的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表示的是測量點在采樣周期（T）內(nèi)，運動軌跡的弧線長度的函數(shù)。在處理時，將在每個周期內(nèi)運動的弧線近似為直線，第n個周期測到的弧線長表示為Yl（nT）、Yr（nT），可以得到方便程序計算的運動方程：t圖2系統(tǒng)電路圖Fig.2Circuitofsystem2.2軟件設計每個傳感器測得的位移信息存放在相應的X、Y寄存器中，分別用一個有符號字節(jié)表示，范圍-128127，代表至從上次讀取之后，X或Y方向累計的位移量，如果超出這一范圍，相應的寄存器溢出標志位置位。由于這個范圍表示的數(shù)據(jù)范圍較小，單片機的一個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)的一個寄存器，它含有是否檢測到位移的標志位。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動理論可知，已知兩固定點在任意時刻的速度，

12、即可描述物體運動狀態(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實驗結果與分析根據(jù)樣機的實驗，我們得到了讀取數(shù)據(jù)與實際位移9開發(fā)與創(chuàng)新量函數(shù)的關系，發(fā)現(xiàn)影響測得數(shù)據(jù)準確性的因素有以下幾點：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，對應報告數(shù)約為動距離與讀取值的對應關系，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速度計算，每次讀取最多耗時約90ms。該系統(tǒng)完成一次讀取耗時720s，滿足沒有溢出要求。4結論及展望本文提出一種利用光電傳感器實現(xiàn)移動機器人局部定位的方法，設計了硬件平臺，并進行了軟件編程。通過試驗發(fā)現(xiàn)該方法作為局部定位的可靠性。但要實際應用于機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，當后一幀拍攝時，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。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。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：1JorgeAngeles機器人機械系統(tǒng)原理理論、方法和算法M北京：機械工業(yè)出版社，20043.2圖像采集環(huán)境實際移動量與讀取數(shù)據(jù)間的函數(shù)關系與CPI、透鏡規(guī)格、感光孔與采集面距離有關，但這些條件在足球機器人應用上，是在系統(tǒng)確定后不會隨機改變的，這個對應關系可以通過實驗的方法對系統(tǒng)的函數(shù)參數(shù)重新標定。3.3干擾問題相對運動面的理想程度，光路雜質(zhì)干擾，光源干擾問題。足球機器人比賽是在標準地毯上進行的，沒有上下坡，是相當理想的；灰塵雜質(zhì)可能附著在透鏡表面，影響圖像的采集。我們在實際中發(fā)現(xiàn)，由于透鏡半徑較小，這個影響并不是很明顯。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獨立照明，且一般安裝在機器人底部，故不會受到外界光源干擾。3.4距離關系標定與距離誤差累積的驗證由于測量時會產(chǎn)生誤差，這種誤差會隨著移動距離的增加而累積，我們通過實驗來觀察其誤差程度能否滿足測量需要。實驗方法是：使傳感部分以慢速勻速從理想面滑移10200mm距離（10mm步進），分別記錄每個距離對應的讀