基于環(huán)形燈板的全場(chǎng)定位算法-劉述亮-2012414-20210427203520

5.5基于環(huán)形燈板的全場(chǎng)定位算法5.5.1、基于環(huán)形燈板的全場(chǎng)定位算法原理比賽的場(chǎng)地上有500x500寬30的白線，上一章利用攝像頭提取白線邊沿特征修正坐標(biāo)，由于數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜，硬件處理速度并不高，暫時(shí)應(yīng)用還有困難。為了解決編碼器誤差累積問(wèn)題，這里提出了一種基于燈板的全場(chǎng)定位算法。組成燈板傳感器的單元為光敏三極管，通過(guò)光敏三極管便可檢測(cè)出是否白線在該三極管的下面。如果燈板上有許多單元，則燈板在有網(wǎng)格的場(chǎng)地上某個(gè)位置就有對(duì)應(yīng)的光敏三級(jí)管檢測(cè)到白線，這里如果得到檢測(cè)到白線的三極管與燈板位姿的某種映射關(guān)系便可以利用檢測(cè)到白線的三極管來(lái)得到燈板的位姿。這樣的燈板需要滿足一下條件：1.機(jī)器運(yùn)動(dòng)共有三個(gè)自由度，所以至少需要有三個(gè)不共線的三個(gè)傳感器落在白線上。2.在某領(lǐng)域內(nèi)有且僅有唯一解。3.靈敏度均勻。4.精度滿足需要的前提下光敏三級(jí)管數(shù)量最少。由條件可得到如下結(jié)論1.裝在機(jī)器人上的燈板與白線的相對(duì)位置關(guān)系是等概率的，為了保證靈敏度均勻，由對(duì)稱性可知傳感器應(yīng)為環(huán)形布置。2.每條白線最多與環(huán)形燈板有兩個(gè)交點(diǎn)，這便避開(kāi)了3點(diǎn)共線的問(wèn)題。。3.直徑大于白線網(wǎng)格邊長(zhǎng)所以白線與環(huán)形燈板至少有四個(gè)交點(diǎn)。4.光敏三極管的間距需要小于30mm所以估計(jì)光敏三級(jí)管的個(gè)數(shù)需大于80個(gè)。如圖，當(dāng)環(huán)形燈板移動(dòng)時(shí)燈板上與線相交的傳感器便會(huì)改變，這種改變與燈板的位移及角度變化具有某種對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)還和燈板與網(wǎng)格的相對(duì)位置有關(guān)。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型找到這種對(duì)應(yīng)關(guān)系便可以求出燈板的位置姿態(tài)。圖5.23環(huán)形燈板移動(dòng)與白線交點(diǎn)的變化圖5.5.2、建立環(huán)形燈板定位模型在地面建立坐標(biāo)系，在燈板上建立坐標(biāo)系。燈板上第i個(gè)光敏三級(jí)管在中坐標(biāo)為，在中坐標(biāo)為.圖5.24燈板坐標(biāo)與地面坐標(biāo)j時(shí)刻燈板在地面坐標(biāo)下的位姿為。則（5.39）J+1時(shí)刻有（5.40）J時(shí)刻與j+1時(shí)刻燈板上第i個(gè)光敏三極管的位移為（5.41）假設(shè)第i個(gè)光敏三極管在第j+1時(shí)刻在白線上方，其最近的白線交點(diǎn)的坐標(biāo)為（5.42）則：（5.43）如果則()如果則()匹配誤差（5.44）落在白線上的傳感器共有n個(gè)，則總匹配誤差為：（如果i個(gè)光敏三極管在第j+1時(shí)刻在白線上方）即可以表示為：（5.45）當(dāng)E取最小值時(shí)的即為所求，此時(shí)燈板的坐標(biāo)姿態(tài)為（5.46）通過(guò)（8）式便可得到燈板第j+1時(shí)刻的坐標(biāo)。此算法的幾何意義為以燈板前一時(shí)刻坐標(biāo)為中心，在一個(gè)不大的范圍內(nèi)移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到某位置時(shí)便可以推測(cè)出檢測(cè)到線傳的感器是哪幾個(gè)，如果檢測(cè)到線傳的感器恰好與當(dāng)前檢測(cè)到線傳的感器匹配則這是的位移便唯一確定了，此時(shí)匹配誤差E最小5.5.3定位仿真檢驗(yàn)為了驗(yàn)證算法理論的正確性，利用matlab進(jìn)行了軟件仿真。圖5.25環(huán)形燈板定位軌跡與實(shí)際軌跡比較圖通過(guò)matlab模擬仿真結(jié)果可以看出該算法可以提供在一定精度的位置坐標(biāo)。通過(guò)進(jìn)步分析還可以得到，定位精度與環(huán)形燈板上的光敏三極管個(gè)數(shù)和分布有關(guān)。光敏三極管越多，分布越密定位精度越高。同時(shí)環(huán)形燈板定位誤差不會(huì)有累積。5.6本章小結(jié)本章通過(guò)理論推導(dǎo)建立了基于不同傳感器的定位算法。完成了基于三編碼器的全場(chǎng)定位算法設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真分析三輪安裝誤差對(duì)定位帶來(lái)的影響，論證了對(duì)三編碼器全場(chǎng)定位進(jìn)行軟件補(bǔ)償?shù)谋匾?；針?duì)三編碼器定位具有誤差累積的缺點(diǎn)，建立了基于攝像頭識(shí)別白線邊界特征并與三編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的輔助定位算法；完成了紅外測(cè)距傳感器輔助定位的算法設(shè)計(jì)和仿真論證；完成