移动机器人传感器与导航控制分析

沈静娟

浙江国自机器人技术股份有限公司 浙江 杭州 310059

1 移动机器人的系统结构

由安置在底座前方的一个万向轮和底座后左、右方的两个驱动轮构成移动机器人的执行单元,实际运行轨迹是安置在底座后左、右方的驱动轮采用差速进行控制,控制系统的设计。机器人朝着给定位置处运行,当与检测到的物体间距是(20～40)cm(>40cm)时,主要由红外传感器(四探头一体防水超声波)把相应的距离信息传送到STM32F407主控电路,控制电路对传送过来的数据信息进行分析,通过机器人专用轮毂电机控制机器人左右轮的运行速度以及运行姿态,进而使机器人在其活动范围内躲避阻碍物体。

2 移动机器人传感器

人类对外界信息的感知主要依靠眼、耳、口、鼻等感知器官,通过接收到的信息对外界建模,从中找到想要的信息。移动机器人对外界的感知同人相似,只不过他们的感知器官是传感器,操作人员通过控制执行器与传感器实现对移动机器人的操控,使其能够如同人类一样活动、工作。

关于移动机器人的传感器,主要表现如下:

2.1 激光雷达 在进行移动机器人研制过程中,光学探测器因其特有的高灵敏度等到广泛应用,其能够实现对单个光子的有效测量。通常而言,不管是从功率方面还是体积方面,使用光子计数接收器都能够促使传感器和通信系统的光学应用更具效率。在实际应用中,这些接收器需要更小的空间、时间以及光谱滤波器,以此实现对不必要背景噪声或杂波的降低目标。另外,通过激光照明的有源传感器,还可利用激光发射器的狭窄空间、时间以及光谱特征实现对接收滤波器的有效调整,进而确保其灵敏度和信号效率得到增强。而且对于高分辨率三维空间成而言,其属于移动机器人研制中的重要应用技术。

利用机载或星载微波雷达,能够实现对地面车辆的探测、跟踪以及成像目标,但是如果有遮蔽物,比如树冠、树叶等,就可能导致雷达的性能降低。随着科学技术的不断发展,虽然长波长微波雷达能够将遮挡物穿透,但是却导致成像分辨率降低。经过研究人员的不断研制,高分辨率三维成像激光雷达应时而生,该技术不但能够穿透遮挡物,对于军用地面车辆都可进行有效识别。

基于此,本文在进行移动机器人传感器研究中,对该种三维成像技术进行了充分利用,包括机器人视觉、制造质量控制等方面的应用。

2.2 视觉相机 在将机器人准确导航到特定位置及方向时,视觉伺服起到了关键性作用。通过对以往技术进行分析研究发现,自校准技术只是对静态字校准情况的充分考虑,而在此状态下的内部参数不适用于对机器人的控制。

关于视觉应用,其主要目的是识别以及跟踪具有独特视觉特性或标志的对象。在对相机放置时,可通过模拟方法对任何特定相机放置的性能,进行有效测量,并在迭代网格线性编程基础上获取最高效的放置方法。同时,对于跟踪隐私保护视觉监控网格,应采用特定彩色标签,同时在多个相机之间使用极限几何,实现遮挡处理,以此创建识别、跟踪以及视觉混淆系统,并能够实现对监视视频中的个人隐私进行有效保护的目的。

另外,对于场景对象中的深度感知,其可被应用在移动机器人系统中的跟踪或应用视觉伺服。在此过程中,3D飞行时间摄像机,可对范围图像进行有效提供,进而实现实时测量目标,以此改善相关类型任务。

3 移动机器人导航控制

3.1 移动机器人建图 在对移动机器人导航控制进行分析的过程中,首先需要对移动机器人建图进行了解,环境地图一般包含拓扑结构描述地图和几何地图两种。

在进行地图创建的过程中,所使用的数学工具主要有三种,即简单基于数据储存结构的搜索、单线的三角公式计算,以及概率的表述和推理方法。

对于移动机器人地图而言,主要是指其所在环境的模型,研究人员将建立移动机器人地图的过程称为地图构建。而在地图构建中,较为常见的地图类型有以下几种:

3.1.1 尺度地图 尺度地图是较为常见的地图类型,如图1所示。在其中,位置用坐标值表示,其属于地图基本形式。在对移动机器人进行导航控制的过程中,大多数移动机器人在进行自我定位时所用的都是坐标系。

3.1.2 拓扑地图 以某地铁线路拓扑地图为例,其地图尺度和大小与实际情况有很大差别,而地图主要是为了将列车停靠站以及各站点之间的连接线路进行直观呈现,研究人员将此类地图定义为拓扑地图。

在该地图中,位置主要表示节点;各节点之间的链接表示为弧。该类地图的特点并不是坐标的精确,而是各节点之间的连接。左右两边的拓扑地图为等价关系,各节点之间的弧主要是为了表示这些节点之间的连接代价或是限制条件,这类地图在轨迹规划测验中经常被用到。

3.2 移动机器人导航 通过激光SLAM系统,可将地图构建过程中激光雷达扫描得到的信息以及里程计数据转化为2D栅格地图。在此过程中,导航系统可利用该地图中的各类数据,对移动机器人的路径进行有效规划和定位。待上述操作完成之后,可将其转化为移动机器人的速度指令。

将上述分析可知,移动机器人导航系统可被划分为以下几部分:

(1)数据收集层,也就是利用传感器进行数据收集;

(2)全局规划层;

(3)局部规划层;

(4)行为层,也就是结合移动机器人当前状态以及上层指令,为其布置当前行为指令;

(5)控制器层,其主要作用是与下位机进行通信。在对移动机器人进行指定导航的过程中,其具体流程如下:首先,操作人员启动了全局规划层和局部规划层两个规划器,以此进行全局路径规划,以及局部路径规划,并通过地图规划组建形成移动机器人自身的代价地图。

4 结束语

本文先对移动机器人的结构和软件平台构架进行了简单分析,在此基础上对经典双轮差动模型进行了简单介绍,进而归纳出移动机器人的应用范围;其次,对移动机器人的传感器进行了全面陈述;最后,对移动机器人的导航控制进行了详细分析。希望可以为相关人员进行移动机器人研究提供一定参考。