移動(dòng)機(jī)器人傳感器與導(dǎo)航控制分析

沈靜娟

浙江國自機(jī)器人技術(shù)股份有限公司 浙江 杭州 310059

1 移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由安置在底座前方的一個(gè)萬向輪和底座后左、右方的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪構(gòu)成移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行單元,實(shí)際運(yùn)行軌跡是安置在底座后左、右方的驅(qū)動(dòng)輪采用差速進(jìn)行控制,控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。機(jī)器人朝著給定位置處運(yùn)行,當(dāng)與檢測到的物體間距是(20～40)cm(>40cm)時(shí),主要由紅外傳感器(四探頭一體防水超聲波)把相應(yīng)的距離信息傳送到STM32F407主控電路,控制電路對傳送過來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析,通過機(jī)器人專用輪轂電機(jī)控制機(jī)器人左右輪的運(yùn)行速度以及運(yùn)行姿態(tài),進(jìn)而使機(jī)器人在其活動(dòng)范圍內(nèi)躲避阻礙物體。

2 移動(dòng)機(jī)器人傳感器

人類對外界信息的感知主要依靠眼、耳、口、鼻等感知器官,通過接收到的信息對外界建模,從中找到想要的信息。移動(dòng)機(jī)器人對外界的感知同人相似,只不過他們的感知器官是傳感器,操作人員通過控制執(zhí)行器與傳感器實(shí)現(xiàn)對移動(dòng)機(jī)器人的操控,使其能夠如同人類一樣活動(dòng)、工作。

關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的傳感器,主要表現(xiàn)如下:

2.1 激光雷達(dá) 在進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人研制過程中,光學(xué)探測器因其特有的高靈敏度等到廣泛應(yīng)用,其能夠?qū)崿F(xiàn)對單個(gè)光子的有效測量。通常而言,不管是從功率方面還是體積方面,使用光子計(jì)數(shù)接收器都能夠促使傳感器和通信系統(tǒng)的光學(xué)應(yīng)用更具效率。在實(shí)際應(yīng)用中,這些接收器需要更小的空間、時(shí)間以及光譜濾波器,以此實(shí)現(xiàn)對不必要背景噪聲或雜波的降低目標(biāo)。另外,通過激光照明的有源傳感器,還可利用激光發(fā)射器的狹窄空間、時(shí)間以及光譜特征實(shí)現(xiàn)對接收濾波器的有效調(diào)整,進(jìn)而確保其靈敏度和信號(hào)效率得到增強(qiáng)。而且對于高分辨率三維空間成而言,其屬于移動(dòng)機(jī)器人研制中的重要應(yīng)用技術(shù)。

利用機(jī)載或星載微波雷達(dá),能夠?qū)崿F(xiàn)對地面車輛的探測、跟蹤以及成像目標(biāo),但是如果有遮蔽物,比如樹冠、樹葉等,就可能導(dǎo)致雷達(dá)的性能降低。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,雖然長波長微波雷達(dá)能夠?qū)⒄趽跷锎┩?但是卻導(dǎo)致成像分辨率降低。經(jīng)過研究人員的不斷研制,高分辨率三維成像激光雷達(dá)應(yīng)時(shí)而生,該技術(shù)不但能夠穿透遮擋物,對于軍用地面車輛都可進(jìn)行有效識(shí)別。

基于此,本文在進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人傳感器研究中,對該種三維成像技術(shù)進(jìn)行了充分利用,包括機(jī)器人視覺、制造質(zhì)量控制等方面的應(yīng)用。

2.2 視覺相機(jī) 在將機(jī)器人準(zhǔn)確導(dǎo)航到特定位置及方向時(shí),視覺伺服起到了關(guān)鍵性作用。通過對以往技術(shù)進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn),自校準(zhǔn)技術(shù)只是對靜態(tài)字校準(zhǔn)情況的充分考慮,而在此狀態(tài)下的內(nèi)部參數(shù)不適用于對機(jī)器人的控制。

關(guān)于視覺應(yīng)用,其主要目的是識(shí)別以及跟蹤具有獨(dú)特視覺特性或標(biāo)志的對象。在對相機(jī)放置時(shí),可通過模擬方法對任何特定相機(jī)放置的性能,進(jìn)行有效測量,并在迭代網(wǎng)格線性編程基礎(chǔ)上獲取最高效的放置方法。同時(shí),對于跟蹤隱私保護(hù)視覺監(jiān)控網(wǎng)格,應(yīng)采用特定彩色標(biāo)簽,同時(shí)在多個(gè)相機(jī)之間使用極限幾何,實(shí)現(xiàn)遮擋處理,以此創(chuàng)建識(shí)別、跟蹤以及視覺混淆系統(tǒng),并能夠?qū)崿F(xiàn)對監(jiān)視視頻中的個(gè)人隱私進(jìn)行有效保護(hù)的目的。

另外,對于場景對象中的深度感知,其可被應(yīng)用在移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中的跟蹤或應(yīng)用視覺伺服。在此過程中,3D飛行時(shí)間攝像機(jī),可對范圍圖像進(jìn)行有效提供,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量目標(biāo),以此改善相關(guān)類型任務(wù)。

3 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制

3.1 移動(dòng)機(jī)器人建圖 在對移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制進(jìn)行分析的過程中,首先需要對移動(dòng)機(jī)器人建圖進(jìn)行了解,環(huán)境地圖一般包含拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述地圖和幾何地圖兩種。

在進(jìn)行地圖創(chuàng)建的過程中,所使用的數(shù)學(xué)工具主要有三種,即簡單基于數(shù)據(jù)儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)的搜索、單線的三角公式計(jì)算,以及概率的表述和推理方法。

對于移動(dòng)機(jī)器人地圖而言,主要是指其所在環(huán)境的模型,研究人員將建立移動(dòng)機(jī)器人地圖的過程稱為地圖構(gòu)建。而在地圖構(gòu)建中,較為常見的地圖類型有以下幾種:

3.1.1 尺度地圖 尺度地圖是較為常見的地圖類型,如圖1所示。在其中,位置用坐標(biāo)值表示,其屬于地圖基本形式。在對移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航控制的過程中,大多數(shù)移動(dòng)機(jī)器人在進(jìn)行自我定位時(shí)所用的都是坐標(biāo)系。

3.1.2 拓?fù)涞貓D 以某地鐵線路拓?fù)涞貓D為例,其地圖尺度和大小與實(shí)際情況有很大差別,而地圖主要是為了將列車停靠站以及各站點(diǎn)之間的連接線路進(jìn)行直觀呈現(xiàn),研究人員將此類地圖定義為拓?fù)涞貓D。

在該地圖中,位置主要表示節(jié)點(diǎn);各節(jié)點(diǎn)之間的鏈接表示為弧。該類地圖的特點(diǎn)并不是坐標(biāo)的精確,而是各節(jié)點(diǎn)之間的連接。左右兩邊的拓?fù)涞貓D為等價(jià)關(guān)系,各節(jié)點(diǎn)之間的弧主要是為了表示這些節(jié)點(diǎn)之間的連接代價(jià)或是限制條件,這類地圖在軌跡規(guī)劃測驗(yàn)中經(jīng)常被用到。

3.2 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航 通過激光SLAM系統(tǒng),可將地圖構(gòu)建過程中激光雷達(dá)掃描得到的信息以及里程計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為2D柵格地圖。在此過程中,導(dǎo)航系統(tǒng)可利用該地圖中的各類數(shù)據(jù),對移動(dòng)機(jī)器人的路徑進(jìn)行有效規(guī)劃和定位。待上述操作完成之后,可將其轉(zhuǎn)化為移動(dòng)機(jī)器人的速度指令。

將上述分析可知,移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)可被劃分為以下幾部分:

(1)數(shù)據(jù)收集層,也就是利用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集;

(2)全局規(guī)劃層;

(3)局部規(guī)劃層;

(4)行為層,也就是結(jié)合移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)以及上層指令,為其布置當(dāng)前行為指令;

(5)控制器層,其主要作用是與下位機(jī)進(jìn)行通信。在對移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行指定導(dǎo)航的過程中,其具體流程如下:首先,操作人員啟動(dòng)了全局規(guī)劃層和局部規(guī)劃層兩個(gè)規(guī)劃器,以此進(jìn)行全局路徑規(guī)劃,以及局部路徑規(guī)劃,并通過地圖規(guī)劃組建形成移動(dòng)機(jī)器人自身的代價(jià)地圖。

4 結(jié)束語

本文先對移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和軟件平臺(tái)構(gòu)架進(jìn)行了簡單分析,在此基礎(chǔ)上對經(jīng)典雙輪差動(dòng)模型進(jìn)行了簡單介紹,進(jìn)而歸納出移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍;其次,對移動(dòng)機(jī)器人的傳感器進(jìn)行了全面陳述;最后,對移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航控制進(jìn)行了詳細(xì)分析。希望可以為相關(guān)人員進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人研究提供一定參考。