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未知环境下的移动机器人定位及实时避障_图文



年 月 卷增 刊








旧 云
,

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文 章编 号



恤刃 凡一 公 砚阵

未 知 环 境 下 的 移 动 机器 人 定 位及 实 时 避 障
皮 旷怡
,





,

徐 慈朴
,

大连 海 事大学 自动化研究 中心

辽 宁 大连

柑祖

要 针 时 未知 环 境 下 移 动 机 器 人 实 时 动 态进 降及 定 位 问 题 考 虑 里 程 计 定 位 的 无 界 双加 谈 差 和 动 态障碍 物 环 境 下 实 时 降碍抓 进 雷要 提 出 了 一 种 可 行 的 避 阵定 位 的 策略 该 策 略 触 合 了机 器 人 内娜传 感 器 里 程 计 电子 罗盘 和 激 光 侧 距 仪 的 同 步和 异 步信 息 合 理 地 解 决 了 常挽 定 位 过 程 中的 方 向 迷 失 问 题 对 于 静 态和 动 态 障碍 物 都 能 很好 地 实 时 振 进 具 有很 舜 的扰 干 扰 性 和 校 高的 定 位 精度 实脸证 明 了该 方 法 的 有效 性 和 实用 性 娜 移动 机 器人 进 阵 定 位 关 文 傲标识码 中 分 奥哥 开 解



,

,







,

,

,






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,

本 文 针对 未 知环 境 下 移动机 器 人 定位 问 题 对 ’ 常规测 程 法 〔 进行 了 改 进 同 时 给 出 了 动 态 环 境
,

,

在移 动机器 人 的导 航技术研究 中 位 置 信息 是 完 成任务的前 提 避 障技 术是导航 的核 心 是 实 现

,

下 移 动机 器 人 的实 时 避 障策 略



真正 的智能化 和 完 全 的 自主 移动 的 关 键 技术 是 当 今 机 器人 研究领 城 的重 点 课题 目前 移 动 机 器 人 ’ 大多采用 机载 传感 器进 行 定位 〔 在无 先 验 知识

,

,

传 感器 模 型
里 程 计模 型 上 的 光 电编码器
,

里 程 计 根 据 安 装 在 两 个 车轮
,





可 以 检 测 出车 轮 在 一 定 时 间 内转

的 情 况下

,



口困
,

移 动机器 人 的定 位主要 采用 基 于 人 工 坐 丑 的方 法 川 其缺 点 在 于 需 要 人
,

过的 弧 度



设车 轮 半 径 为

光码盘为
,

线 转

,

△ 时 间 内 光 码 盘 输 出 的 脉 冲 数为

则 车轮 移 动


路 标 根 据 机器 人 对 环 境 信 息 掌握 程 度 的 不 同 避 障 可 分 为环 境信 息 已 知 的 全 局 路 径 规 划 和 环 境 信息 未 知 或部 分 未知 的 局 部 路 径 规 划 两 种类 型 对 于 已 知 环 境 下 的避 碰 已 经 有 许
在现 场 设
,

工 干预



距离 △

弧度 为

二 二

假 设 由光 码 盘 检 测 出机 器 人 左 右 轮 的移 动距 离 分别 为





,


,

和 △

,

,

,

两 轮间距 为
,

,

机 器 人 从位姿
了,

, ,

多有 效 的 解 决 方 法 如 人 工 势 场 法 同 模 糊 算 法图 栅 格 法 人 工 神经 网络 法 遗传算法
、 、








氏 移动
△ △





,

,

,



与在 已 知环 境 中相 比 且 有 动态 降碍 物 的情 况 下 等 给 出 控制策略
收 稿 日期 若金攻 目
作 者简 介

,



,

,

机 器 人 在 环境 完 全 未知 需 要 在线 探 测 障 碍 物且


机器 人 移 动 的 距 离为

,

使 得导 航更加 困难
目脚 刀

机器 人 转过 的 角度









,

收 男

定稿 日期
,

五幻‘ 仆

国 家 自然 科学 墓 金 资助项 目 加幻知四

皮旷 怡 师


侧抖

湖南 益 阳人

,

研 究生

,

主要 研究方 向为移 动机器人 导航技 术等







,



,

教授

,

博士 生 导

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

http://www.cnki.net

增刊

皮 旷怡 等

未知 环 境 下 的 移 动 机 器 人 定 位 及 实 时进 津











,

,

,

△‘

作 为 里 程 计 模 型 的输



,

有两 种 里 程 计模 型 可 供采用
① 直线 模 型

远丛
一 此


扩巾











假 设 机 器 人 沿 轴线 方 向 做 直 线
, ,










,

当机 器 人 里 程 计采样速 率与机 器 人 车轮 转 速相 比非 常大 时 对 于 非直线 路 径 里 程
运动

,









姗 截





期 叭
,



,

计模 型 可 近 似 为直线模 型 ?
?



直线模 型 方程 为
工奋
,





乙 落
扫 描 数据


,



‘ 二




,
,

△玩 氏 △






、, 、

由误 差 传递 公式
矩 阵为

的误 差 协 方 差





△ 氏

,

轰 重









② 圆弧 模 型 考 虑 机 器 人 在 运 动 中航 向角 的 变化 以 圆弧 近 似 机器 人 移动的实 际 轨 迹 圆 弧 模 型 能更 好 地 逼 近 实 际 轨 迹 但 增 加 了 计 算 的 复 杂
,


一 此
式中
,



丛 书
翎 叭



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口十





圆弧 模 型 方程 为
,




户 恤 、 二




耐截
,

,

汤 为






的雅 克 比矩 阵




的误 差



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,

,



协方 差 矩 阵
‘ 矛 、


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,



,

,



△ 氏

,

,



△ 氏
,

△ 氏

,

,



定 位 方法
在 完 全 未知 环 境 下
,

, 氏

无 法通 过 外部 传感 器 获得






式中

,

“ 二



,



为 里 程 计模 型 输 人
,



移动机 器 人 的准确定 位 通 常使用 里 程 计 信息对 机 器人 位 置 和 方 向进 行 估计 本 文 假 设 机器 人 的运 动 有 旋转 和 直 线 行 驶两 种 模式
,



和 △ 分别为在 时 刻 氏

的 弧 长 增 量 和 方 向角 的 差

直线行 走




为在 时 刻


的过 程 输 人 噪声

并 假 设 其服







二 二



,

。氏


,

从 高斯 分布

,

‘,

,

该模 型 的协方差 矩 阵
,,


口 以 儿 介







,





爵 纂






旋转
护 、 ‘

激 光 测距 仪模 型

激 光 测 距 仪是 一 种 基 于

二 劣告

原 理 的高 精 度

高解 析 度外 部 传
,

二 二



内‘ 、 尤声



尹 、 、 ,亨

感器

,

具 有 比 目前 移动机器人 广 泛 使用 的 声 纳 传 感


器 更 高 的距 离 和 角 度 分 辨 率

不 同 于 图 像传感 器

式中

,

,

,

,





,



氏 为 机 器 人 当前 位 姿


吸 奋 产 、

激 光测 距 不 受 光 线 影 响 高
,

,

处 理 方 法 简 单 且 数据 精 度 且 其 极 短 的 采 样 周期 和 较

为前一 运 动 周 期 后 的位 姿

为机 器 人 转 动

具 有 更 好 的 实 时性

,

半径

低 的 测 量 噪 声使 其 成 为 移 动 机 器 人 测 距 的 主 要 手 型 激光 测 距 仪 扫描 段 实 验 中配 备 的


为旋转 运 动周期转 过 的 角度 该角度 可 由里 程 计 的前 一 时刻位 移 得 出

‘,
,

一 。

区域 为

” ,

最 大测 距


,

,

距 离 和 角 度 分 辨率
“ 。

分别为
坐 标表示 为





,

扫描 数 据 可 用 极 或 由直 角 坐 标表 示 为
,





考虑 里 程 计 定位 时 无界 的 累加误 差 在定 位 过 程 中 方 向 误 差 是 主要 误 差 源 机器 人 导 航 过 程 中 小 的 方 向误 差 会 导 致 严 重 的 位 误 差 甚 至会
, , ,


二。 二



,








,

式中

,















为 扫 描 数据
,

点个数



使 机器 人 迷 失方 向 在 不 受磁 场 干 扰 的 情 况 下 利 用 编 码 器 和 数 字 罗盘 在每 个 采样周期 内测 量 的机 器 人 方 向增 量 对 这 一 模 型 进 行 了 修 正 式 给出了
,



,

本 文 假 设测 量 值
才 二



,





受 噪声干 扰
,

它们分

更 新 后 的模 型
‘ ‘

别 服从 高斯 白噪 声分布 且相 互 独 立


标 准 差 分别 为

儿 气 久



,






。,

,







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,




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,

,



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,

式中

,





为 当前 时 刻 罗 盘 读 数







为机

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

http://www.cnki.net













器人 初 始位置 罗 盘读数




条 自身可 以 通 过的无 障路径
,



在 避 障过 程 中 需 要


,

移动机 器人 运 动示 意 图 如 图 所 示

记 住 当前障碍 物

,

以 免 丢失 目标或者 无 休 止 地 绕




望 卜 户



当绕过 障碍 物后

,

立 即结 束避 障过程



实 验结 果
殆幽

蕊‘

,

,




移动 机 器 人 是 一 种 功 能 强 大 的




移动 机 翻 人运 动示 愈 圈

避 障运 动控 制
机 器 人 在 自主 导航 的过 程 中
, ,

该 系统 配 备有 激 光 视 觉 声 纳 罗 盘 等多种传感器 并具有 完 整 的控制软件 和 开 发 工 具 从 而 为 开展 自主移 动机器 人 研究 提供 了
, ,

多用 途 机 器人 系统

除 了要 保持运 动

适宜的平台和 有力 的技 术 支持
司的
以犯田



实验采 用



的平稳性 还 要 能避免 与静态 或动态 障 碍 物 发 生 碰 撞 在环 境 不 确定 的情 况下 必 须能够在线探 测 障

,

激光 测距 仪 作为 主要 的 环 境 感 知 传感
,

给 出机 器 人 的 安 全 矩 形 区域 将 机 器 人 的视 野 区 域分 为危 险 区 避 障 区 和 警戒 区 三 部 分 根 据 障碍 物 出现 的 安 全矩 形 区 域 的不 同情 况 避 障分 为下 面两 种情 况 危 险 区 当激 光 测 距 仪 在 危险 区 内检 测 到 障碍 物点 表 明机器人无 法 向前 运 动 必 须 采取 急 停或后 退 策 略 危 险 区 的 长度 与 的选 择 与 机 器 人
碍 物并规 划 相应避 障路 径

,






利用 三 维数字罗 盘 和里 程 计实 现 移动机 器 人 自 定位 为达 到实时定 位及 避 障的 要 求 算 法 实现程

,


序采 用 多线 程



实验 环 境

,

如图

所示





,



,

,





尺 寸和 性 能有关

,

以 保 证 机器人 能及 时 避 障




避 障区 器 人 自身尺 寸
,

当障碍 点 出 现 在 避 障 区 内 表 明
,

机器人 必 须采取 避 障行 为

根据 安 全距 离
,

,

和机

实 验环境


改变 机 器 人 的运 动 方 向角
。 。

实时搜


索机 器 人 可 以 通 过 的 角 度 域
,

机 器人 的安 全 矩 形 区
,

实验 分别在存 在静态 障碍 物 和 静 态

, ,

动态 障碍

如图

所示

避 障示 意 图


如图

所示



、、



,

区 移

物都 存 在 的 实 际 环 境 下 进 行 机 器 人 直 径 为 运 动 速 度 设定为 而 安 全 距 离设 定为 将 机 器 人 初 始 运 动方 向设 为 轴 正 方 向

,

亨森 命
脸区



初 始位 置 为原 点

,

机器 人 位 置 用 圆 圈 来表 示
, ,



机器

人 在 完 全 未知 的 环 境 下


根 据 罗盘 和里 程 计获得 的
,

信息进 行 自主 定位 在运 动过 程 中 激 光测距 仪不 一 断检测 内 的 障碍 信息 以 实 现 在 有运 动 障
碍 物 的情 况 下 的避 障规 划


静态 障碍 物 环 境 下 的 实

验结 果

,

如图

所示





在图





,

避 阵示 意 圈 场 为移动机器 人

肠 加比

,

以 为 障碍 物


为设 定 的安 全 距 离


,

为机
,



静态阵礴物环 境 下 实 脸 结 果

器人 半 径

则机器 人 可 以 通 过 的无 障碍 物角度为






,

机 器人 在 存 在静 态 障碍 物 的 环 境 中运
,

式中
数据

,



为角度 余 量

机 器人 在 运 动过 程 中
,

利 用 激光 传感 器 获 得 的
,

之 间的距 离取 动 其 中障碍 物 场 和 。 机器 人 速 度 取 耐 和 而 的 情 况 下 都 能找 到 合适 的通 过 路 径 完成避 障任 务 并 实 现 机 器 人 自
, ,

不 断 地 判 断 是 否需 要 避 障

并实 时 计算 出 一

定位



动 态 障碍物 环 境 下 的 实验结 果

,

如图

所示



? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

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增刊

皮 旷怡 等

未知 环 境 下 的 移 动 机 器 人 定 位 及 实 时避 障




,

本文研 究 了 自主移 动机 器 人 在 未知 环 境 下 基 于 多 传感 器 信息 的 自定 位 以 及 在 存 在 动态 障碍 物 的 情况 下 的避 障运 动 该方法 融 合 了机 器 人 内部传感 器 里 程 计 电子 罗 盘 和 激光测距 仪 的 同步和异 步信







,

一 定 程 度 上 减 小 了里 程 计 累加 误 差
,

,

由此 引起 的方 向迷失
动态 阵礴物 环 境下 实验结 果

可 实现 位 置 恢 复
,

并解决 了 实 现 了动

态 环 境下 实时



快 速的避 障运 动


具 有较 离的定 位






,

机器人 运 动 环 境 中静 态 障碍物 和 动 态
,

障碍 物 同时 存 在 度运 动 朝
,





场 都以
, ,

而 的速

精度 和很 强 的抗 干扰性 如何优化完备行为决策规 则 进 一 步 提高定位精度是有 待于 进一 步研 究
,

轴 负 方 向做 直线 运 动 为 区 分起
机器人很好地 避

, ,

见 其轨 迹 点 每 隔 两 个 点 取 一 个 开 了运 动 障碍 物

参考文 献
【」


完成 了预定 任务
,

此 成

,

,


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,







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,
,



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,

二 二
?

为 了 阐述避 障 及 定 位算 法 的 实 时性 和 有效性 在 实验 中并 没 有加 人 寻 的 算 法
避障




而是 让 机器人 自由

〔 」 。枷 名




,


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坛 , , , ‘ 如 艺司 俐时 」 目 试 肠油 恤 瓜
,

实验 中的定 位误差 主要 来 源 于 直 线 运 动 中里
,

程 计 的累积 误 差

由于 机 器 人 运 动 中以 而 和
,

方 向运





翻即

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,

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,

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动为 主

,

所 以 位姿在

,

方 向 的 误 差 明显 大 于

。”江

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乃说

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乃 ‘ 泪认 】




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向的误 差 机 器 人 分 别 以 运 行 的 定 位 实 验数据 见 表

不 同环 境

而 的速 度


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,



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,



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而 时定 位 实 验 结 果
坐标

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,

实际 数据


实验结果

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动态 障碍物 环 境

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,

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动态 障碍 物 环 境


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上接 第

页 可 以看 出

,

验结 果 表 明 给定 与定 位 计 算 结 果 存 在 误
, ,

,

由文 中算 法 得 到 的迭 代初 值进行
,

从表

,

迭 代 能够 收敛 到 给 定 的局 部 最小 值 的 示 踪 定 位 算 法 提 供 新 的思 路


为管 道 机器 人

小于
,

的迭 代 初 值 进 行
最 小值

得到 实 验结 果 表 明 由式 局部 迭 代 能 够 收敛 到 期 望 的


参考 文 献
、 一 ‘ 一 工 厂 卜 』

可 用 于 管 道 机器 人 的 示 踪 定 位

尸 ‘ ,) 咤

, 心 ,, 下






,






,




,

双 卿 山面 。 彻 砚画 即
“ ”

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,



,

本 文 以 电磁 学 理论 为 基 础
通 过 离散 置 参数 的 算 法

根 据 海 底管 道 机 器
,

人 的 应 用 要 求 提 出 了 多传 感 器 定 位 模 型


并给出 了

非 线 性 最 小 二 乘迭 代求解 发 射源 位 本文根据 凡
,



,



的数 值 计 算


结果 算法

,

提 出 了 求 解计 算 具 有 一 定 精度 的迭 代 初 值 的

杨世 清 用 同位 素探 侧 辅 送 管道 内被 堵 弹头 位 的方法 〔〕 管道技 术与设 备 渭 刃 孙彦才 郑华 崔 艳辉 多 层 管 柱 磁 探 伤 侧 井 技术 〔 侧 井 技 二 翻 术 刃 刘 庆彬 刘 金妓 基 于 无线 电 测 向 的 台站 定 位 〔 电 波 科 学学 一 一 报 期 引 赵凯华 陈熙 谋 电 磁 学【 」 京 高 等 教 育 出 版社 北 北 邦 硕 鸿 电动力学【 〕 京 高等教 育 出 版 杜 ’ 谢 如彪 姜培庆 非线性 数值 分 析【 」 上 海 上 海 交通 大学 出
, ,
, , ,

,



,

,

,

,

该算 法 具 有 计算 简 单

初 值 合理 的 特 点



版社 角仕 云 刘 丽 娅 实 用科学与工 程 计 算 方 法 〔 〕 北 京 科 学 出 兀 版社 《 幻
,
,

,

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

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