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2007年IEEE的程序
機(jī)器人與仿生學(xué)國(guó)際會(huì)議
2007年12月15日-18，三亞，中國(guó)
割草機(jī)器人多傳感器融合與導(dǎo)航技術(shù)的研究
從明和房波
大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院
大連，116024，中國(guó)
congm@dlut.edu.cn
引言——本文提出了一種多傳感器系統(tǒng)從超聲波傳感器和導(dǎo)航相結(jié)合的測(cè)量機(jī)器人割草機(jī)。利用傳感系統(tǒng)使機(jī)器人割草機(jī)來(lái)映射未知的環(huán)境。對(duì)于自動(dòng)割草機(jī)器人能在未知的環(huán)境中進(jìn)行定位和導(dǎo)航執(zhí)行割草任務(wù)是很重要的。由于環(huán)境的復(fù)雜性，簡(jiǎn)單的一種傳感器是不足夠割草機(jī)器人來(lái)完成這些任務(wù)。我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)配有DSPTMS320F2812作為CPU割草機(jī)器人。感測(cè)系統(tǒng)集成由超聲波傳感器，紅外傳感器，碰撞傳感器，編碼器，一個(gè)溫度傳感器和電子羅盤(pán)組成。超聲波測(cè)距技術(shù)變換是基于小波變換的精度高來(lái)表示的，以提高超聲波傳感器測(cè)量精度。仿真研究表明，所提出的多傳感器信息融合的方法是非常有效的對(duì)于導(dǎo)航割草機(jī)器人。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感系統(tǒng)基于相關(guān)的規(guī)定障礙檢測(cè)和定位顯示出巨大的潛力，為在動(dòng)態(tài)工作條件下的割草機(jī)器人提供一個(gè)強(qiáng)大的高性價(jià)比的解決方案。
關(guān)鍵詞——多傳感器融合，超聲波傳感器，割草機(jī)機(jī)器人，定位，導(dǎo)航。
1.緒論
草坪修剪被許多人認(rèn)為是一個(gè)最枯燥，累人的日常任務(wù)。首先迫切需要執(zhí)行的任務(wù)是能適應(yīng)環(huán)境的機(jī)器人。一些預(yù)測(cè)表明，割草機(jī)器人將是一個(gè)最有前途的個(gè)人機(jī)器人應(yīng)用，并有重大的市場(chǎng)在世界上。因此，智能化的概念割草機(jī)器人（IRM）在1997年度會(huì)議的OPEI（ 戶外電力會(huì)議設(shè)備研究所）上第一次提出[ 1 ]。該機(jī)器人主要面對(duì)一般家庭幫助忙碌的人們和乏力的老人們節(jié)省支付雇傭勞動(dòng)力的報(bào)酬，同時(shí)消除人們來(lái)自噪聲中，花粉和割草刀片的危害。割草機(jī)器人是服務(wù)于家庭護(hù)理的室外移動(dòng)機(jī)器人，是那種真正的智能機(jī)電一體化的環(huán)境清理設(shè)備[ 2 ] [ 3 ]。最重要的是割草機(jī)器人為代表的一些地區(qū)覆蓋的環(huán)保機(jī)器人不僅用于室內(nèi)地面清潔，如[ 4 ]也在危險(xiǎn)的環(huán)境中，例如去地雷，清理輻射點(diǎn)，勘探資源等。與室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人不同，割草機(jī)器人得到很大的挑戰(zhàn)。
在整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)，割草機(jī)器人使用傳感器來(lái)感知環(huán)境以及識(shí)別他們的實(shí)時(shí)狀態(tài)下的環(huán)境障礙，地圖構(gòu)建，定位和導(dǎo)航。由于環(huán)境的復(fù)雜性，一種簡(jiǎn)單的傳感器是不足以讓割草機(jī)器人來(lái)完成這些任務(wù)的。因此有必要結(jié)合來(lái)自不同的傳感器上觀察到的傳感器數(shù)據(jù)減少機(jī)器人在任何工作環(huán)境工作的不確定性。為來(lái)自各種傳感器的信息能合并，傳感器魯棒性和實(shí)時(shí)性的融合是必需的[ 5 ]。在傳感器出現(xiàn)誤差或失敗的情況下，多融合傳感器融合也可以減少不確定信息，并提高其可靠性。
低成本的傳感系統(tǒng)，說(shuō)明其低功耗，高性能。超聲波傳感器檢測(cè)范圍是0.3m~ 5m，他們提供良好的范圍信息。然而，環(huán)境引起的鏡面漫反射是超聲波傳感器的不確定因素，讓他們不具吸引力。紅外傳感器的檢測(cè)范圍是0.02m~ 1m，他們可以檢測(cè)在超聲波傳感器的盲區(qū)的障礙。
為了滿足割草機(jī)器人低成本和高精度的測(cè)距技術(shù)的需求，在研究超聲波測(cè)距技術(shù)基于高精度的小波分析變換（WT）的數(shù)據(jù)報(bào)道，提高超聲波傳感器的測(cè)量精度。測(cè)量數(shù)據(jù)從傳感系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃最佳的，可靠地，完全覆蓋整個(gè)工作計(jì)劃的地區(qū)，使割草機(jī)器人避免未知的障礙。
最后，通過(guò)仿真研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感系統(tǒng)的導(dǎo)航效果，障礙物檢測(cè)和割草機(jī)器人定位。
2.信息資源管理系統(tǒng)的硬件
IRM采用DSP TMS320F2812作為其CPU，包括四個(gè)單元：車輛系統(tǒng)，切割系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。傳感系統(tǒng)是用來(lái)收集外部動(dòng)態(tài)信息的工作環(huán)境
避障，地圖構(gòu)建，導(dǎo)航與定位。它也可以用來(lái)檢測(cè)車輛系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和切削機(jī)構(gòu)的工作狀況。該控制器將獲得的信息與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，然后發(fā)出修正后精確的命令讓機(jī)器人完成任務(wù)。信息資源管理的硬件，如圖1所示。
IMR硬件概要圖1
機(jī)器人必須身體強(qiáng)壯，計(jì)算速度快，行動(dòng)準(zhǔn)確和安全。它應(yīng)該有能力
，而在全部或大部分的割草期間無(wú)需人的干預(yù)。IRM由于模塊化設(shè)計(jì)，各單元的管理是相對(duì)獨(dú)立的。模塊化設(shè)計(jì)使維護(hù)更容易。IRM任何損壞單元都可以直接取代而不影響其它單元的功能。
3.傳感系統(tǒng)
A：超聲波傳感器單元
超聲波傳感器可以提供良好的范圍是基于飛行時(shí)間（TOF）信息原理，主要是由于其簡(jiǎn)單性和成本相對(duì)較低，他們已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的障礙物回避，地圖構(gòu)建等。這種類型的外部傳感器能很好測(cè)量的障礙物的距離。靈敏度函數(shù)的主瓣內(nèi)包含一個(gè)20度角，如圖2所示的【6】。大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器的精度范圍為±2cm。
圖2為超聲波傳感器的典型的強(qiáng)度分布
對(duì)于IRM，我們建立了一個(gè)傳感器陣列由12超聲波傳感器間隔30度的間隔。超聲波信號(hào)可以覆蓋所有的空間，可以要求哪些機(jī)器人檢測(cè)整個(gè)空間的環(huán)境信號(hào)。用基于TOF的測(cè)量的超聲換能器的經(jīng)典技術(shù)，計(jì)算出的距離最近的反射器利用聲音在空氣中的速度從發(fā)射脈沖到回波到達(dá)時(shí)間。距離D為反映對(duì)象的計(jì)算
D =（C×T）/ 2 （1）
其中C是聲音的速度，T是飛行時(shí)間。該TOF法產(chǎn)生一系列的值時(shí)，回波幅度首次超過(guò)臨界值后發(fā)送，忽略第二回波從進(jìn)一步的反射。
超聲波傳感器單元包括一個(gè)觸發(fā)脈沖生成單元，一個(gè)多通道選擇單元和回聲接收單元。傳感器接口電路設(shè)計(jì)發(fā)送和接收超聲波脈沖，捕獲的總是第一個(gè)返回的回聲。一個(gè)對(duì)象相關(guān)的數(shù)據(jù)的范圍要考慮到即使是位于在錐軸離軸。
超聲波頻率通常在40和180千赫之間，而在該系統(tǒng)中超聲波傳感器的頻率使用的是40千赫。光束角度是20度。40千赫PWM脈沖是由通用DSP的定時(shí)器單元產(chǎn)生的。驅(qū)動(dòng)發(fā)射機(jī)有效而不帶來(lái)大的振動(dòng)，40千赫的超聲波一次突發(fā)的時(shí)間是8周期。當(dāng)超聲波脈沖發(fā)射時(shí)，傳感器將經(jīng)歷“振鈴”。振鈴引起的由所發(fā)送的脈沖可以使接收器檢測(cè)到一個(gè)錯(cuò)誤回聲。這個(gè)不能夠捕獲解決DSP中斷問(wèn)題，直到延遲間隔已過(guò)。這意味著在延遲的時(shí)間間隔那測(cè)距儀不能檢測(cè)物體距離該傳感器是少于一半的聲音傳播的距離。這是該超聲波傳感器的盲區(qū)，如圖3所示。
圖3超聲波發(fā)射和接收示意圖
B.：.紅外傳感器裝置和其他傳感器
針對(duì)超聲波傳感器的盲區(qū)，增加了紅外傳感器。紅外傳感器可以檢測(cè)在20cm內(nèi)的障礙，這彌補(bǔ)了超聲波傳感器由于失明問(wèn)題所造成的區(qū)域的問(wèn)題。
這個(gè)單元有16個(gè)紅外傳感器。每個(gè)紅外搜索器范圍有6度，是靈敏度函數(shù)主要的圓錐曲線的視圖。該傳感器具有一個(gè)高精度測(cè)量范圍，有效測(cè)量范圍是一個(gè)目標(biāo)到一米左右。一些測(cè)試表明，該傳感器的測(cè)距精度在±1cm左右。
為了節(jié)省DSP的資源，16個(gè)紅外傳感器采用DSP TMS320F2812的數(shù)據(jù)接口代替IO接口。這種結(jié)構(gòu)也可以同時(shí)讀取傳感器的狀態(tài)，以確保該系統(tǒng)的時(shí)間性能。傳感器接口電路用于發(fā)送和接收紅外脈沖并總是捕獲第一個(gè)回波來(lái)處理其振幅。
割草機(jī)器人在室外環(huán)境中工作時(shí)，其溫度變化迅速。溫度的變化會(huì)影響聲音的速度。因此，溫度傳感器用于保證超聲波傳感器的精度。碰撞傳感器是一組敏感的樣本，采用它是為了防止意外的碰撞造成的損害。由于潮濕的環(huán)境會(huì)危害IRM電路，濕度傳感器被引入用于檢測(cè)濕度環(huán)境。雖然這些傳感器不完全是
一個(gè)自主割草機(jī)器人機(jī)必要的，但他們可以提供有益的功能，讓工作更具有效性和安全性。
4.導(dǎo)航技術(shù)
A. 映射
正如圖4所示，基準(zhǔn)方向的X定義和機(jī)器人的坐標(biāo)為，。關(guān)于內(nèi)置電子羅盤(pán)對(duì)于機(jī)器人的幫助，角，這是從第一個(gè)傳感器得來(lái)的角度，可容易衡量。實(shí)際上，如果只在角（標(biāo)題的機(jī)器人角）的測(cè)量，從其他傳感器的角度可以發(fā)現(xiàn)
角是我們的世界坐標(biāo)中心。該超聲波傳感器組的最大環(huán)數(shù)為n，半徑為R（在我們的系統(tǒng)中，n = 12和R = 0.25m）。該環(huán)的原點(diǎn)到中心之間的距離是r，并且該向中心的基準(zhǔn)角度是Ω。根據(jù)參考位置機(jī)器人的中心是（，）。這個(gè)距離是從原點(diǎn)到通過(guò)兩個(gè)傳感器數(shù)據(jù)檢測(cè)的二維平面稱之為。
現(xiàn)在讓我們用DMI測(cè)量值來(lái)分別表示從超聲波和紅外傳感器得到的數(shù)據(jù)，用于精確距離。這些值之間會(huì)有一個(gè)誤差
在這項(xiàng)工作中，我們自然假設(shè)是一個(gè)均勻隨機(jī)變量在（W，W）范圍內(nèi)。在這里，W表示最大距離測(cè)量誤差。這里的問(wèn)題是，給定的，，r ，，，，，和，，，，，估計(jì)占用的坐標(biāo)細(xì)胞和（或等價(jià)的）以最有效的方法。涉及檢測(cè)對(duì)象的方程可以寫(xiě)為
圖4所示機(jī)器人在X-Y段的位置
由于對(duì)象涉及機(jī)器人的方程被寫(xiě)為
如果我們定義的位置為：=，，，，，然后我們有
將插入到中，
在這里我們有N個(gè)這樣的方程。我們把它們矩陣形式
如果我們引入新的矩陣
，然后（10），
可以寫(xiě)為
在這里，如果我們進(jìn)行最小二乘法估計(jì)，我們得到
因此，我們用最小二乘法估計(jì)找到最好的位置。
B. 仿真研究
基于傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了測(cè)試在顯示該傳感器融合方法的有效性的兩種環(huán)境分別如圖5和圖6所示。割草機(jī)是一個(gè)結(jié)構(gòu)化的實(shí)驗(yàn)室初步測(cè)試如圖5所示。開(kāi)始在（0.3m，0.5m，0°），一個(gè)虛擬的機(jī)器人在虛擬廣場(chǎng)走廊一次。墻在人工環(huán)境中是由真正的地圖表示的。
全車是獨(dú)立的。它有一個(gè)最大的運(yùn)行速度是0.4米/秒。實(shí)驗(yàn)室面積調(diào)查出在10cm精度優(yōu)于1cm為佳。提取映射，提出了一開(kāi)始的目標(biāo)。機(jī)器人位置和方向是由電子羅盤(pán)成立[ 8 ]。
圖5數(shù)據(jù)采集與導(dǎo)航在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的結(jié)果
圖5中的結(jié)果顯示的映射質(zhì)量和該傳感器融合方法的有效性。在測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)，在估計(jì)的位置的平均誤差（ε）在環(huán)境中的障礙是在[ 0.2 ，0.2]米范圍內(nèi)。
在模擬中，我們看到，在（11）中，實(shí)際上應(yīng)該得到的是不滿足
。在可以為位置更好的估計(jì)的情況下可以表示為
在這種情況下，估計(jì)角不會(huì)改變但估計(jì)距離是縮放到它的最佳估計(jì)。
因此，對(duì)于位置，距離估計(jì)是和以前一樣，而最小二乘估計(jì)的作品只對(duì)角
。仿真結(jié)果表明，這種方法產(chǎn)生更精確的結(jié)果。
圖6仿真結(jié)果的墻下行為
墻后，被選定為初值問(wèn)題域是因?yàn)樗⒁粋€(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的問(wèn)題評(píng)價(jià)[ 9 ]。它這也奠定了更為復(fù)雜的基礎(chǔ)的問(wèn)題領(lǐng)域，如迷宮的穿越，映射和用于草坪修剪和吸塵全覆蓋路徑規(guī)劃。墻上的仿真結(jié)果—圖6所示的行為后和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在圖6表明，該IRM有能力在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中執(zhí)行它的割草任務(wù)。
在圖5中傳感器的程序?qū)Ш椒抡嫒缦隆?
5 . 超聲波測(cè)距技術(shù)基于小波變換
遺憾的是，由于環(huán)境的復(fù)雜性和噪聲的影響，實(shí)際接收到的多回波具有隨時(shí)間變化的特性，并且是一個(gè)典型的非平穩(wěn)信號(hào)。此外，在超聲波脈沖回聲混合噪聲是非高斯白噪聲，但噪聲，和與目標(biāo)回波相關(guān)。TOF法不能在這樣的條件下直接使用。引用廣義相關(guān)方法估計(jì)時(shí)間延遲的[ 10 ]，我們把提出了廣義自相關(guān)方法基于小波變換的時(shí)延估計(jì)[ 11 ]出現(xiàn)在圖7。
圖7基于小波變換的廣義自相關(guān)延遲估計(jì)
其中（t）是母小波和（t）是女兒小波。該系數(shù)α是規(guī)模（或縮放
因素）和（τ）是時(shí)間位移。小波變換的信號(hào)x（t）是y（t）。實(shí)際上這是一個(gè)過(guò)濾過(guò)程使用大量的帶通濾波器的超聲回波等于的Q值，這相當(dāng)于的白化濾波器對(duì)廣義相關(guān)方法的時(shí)間延遲的估計(jì)，為了消除輸入噪聲的影響做以下處理?？梢哉业剑鳛?
由于傅里葉變換關(guān)系自相關(guān)函數(shù)之間和他的力譜：
我們獲得的廣義自相關(guān)函數(shù)是：
最后，檢測(cè)到的峰值來(lái)完成TOF的估計(jì)和計(jì)算實(shí)際的超聲波速度。
圖8嘈雜的超聲回波
圖9基于小波去噪的回聲
圖10自相關(guān)函數(shù)
圖11峰值檢測(cè)
嘈雜的超聲回波信號(hào)如圖8所示，和利用小波變換去噪后的超聲回波顯示
圖9。很明顯，該噪聲混入的超聲波回波經(jīng)WT操作后得到有效地消除作。自動(dòng)去除噪聲的超聲波回波的相關(guān)運(yùn)算如圖10所示。圖11顯示了包絡(luò)線，通過(guò)希爾伯特變換。正如我們可以看到，如果每一個(gè)峰的橫坐標(biāo)點(diǎn)確定，TOF估計(jì)可計(jì)算。考慮的超聲回波衰減和高精度的要求在實(shí)踐中的需求，只有前4回波被用來(lái)估計(jì)TOF。在TOF估計(jì)的值是，，，，，，這是對(duì)稱于X軸。使用這種方法，估計(jì)超聲波速度可以計(jì)算出來(lái)。
到目前為止，障礙檢測(cè)和定位系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)。運(yùn)用該方法，障礙物檢測(cè)和定位系統(tǒng)已成功實(shí)施。
基于廣義自相關(guān)法小波變換，提出了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)超聲波速度測(cè)量，該方法可以消除溫度，濕度和風(fēng)力的影響，超聲波速度測(cè)量可以在機(jī)器人工作的動(dòng)態(tài)條件下完成。在這種傳感系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，廣義自相關(guān)方法顯示出巨大潛力提供用于割草機(jī)器人一個(gè)強(qiáng)大的解決方案在動(dòng)態(tài)的工作條件下。
6. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
我們利用超聲波傳感器測(cè)量機(jī)器人和平面之間的距離。測(cè)量結(jié)果和實(shí)際距離如表一所示：
表一
超聲波傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（單位：厘米）
從表一中，我們可以看到，超聲波傳感器測(cè)量誤差在3%。
然后，基于廣義自相關(guān)法小波變換，提出了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)超聲波速度測(cè)量。
通過(guò)上述方法，我們?cè)俅螠y(cè)量機(jī)器人和平面對(duì)象距離的。測(cè)量結(jié)果與實(shí)際距離顯示在表二中。
表二
超聲波傳感器的基于小波變換的數(shù)據(jù)（單位：厘米）
基于小波變換的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用上述的測(cè)量誤差技術(shù)是小于1% 為5m范圍區(qū)域內(nèi)，這種傳感系統(tǒng)的障礙物檢測(cè)和定位擁有巨大的潛力，能作為—個(gè)強(qiáng)大的解決方案用提高于割草機(jī)器人性價(jià)比在動(dòng)態(tài)工作條件下。
7. 結(jié)論
在本文中，我們提出了一個(gè)多傳感器系統(tǒng)結(jié)合超聲波傳感器測(cè)量用于割草機(jī)器人導(dǎo)航。該傳感系統(tǒng)具有低成本，低功耗，高性能，使割草機(jī)器人機(jī)能映射未知環(huán)境。其有效性是通過(guò)仿真研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的。
使用不同種類的傳感器集成在傳感系統(tǒng)可以克服超聲波傳感器的盲區(qū)和多傳感器融合的鏡面反射的缺陷。
一種高精度超聲波測(cè)距技術(shù)的方法基于小波變換已被引入到改善更多的超聲波傳感器的測(cè)量精度準(zhǔn)確的感官信息。該系統(tǒng)應(yīng)用于割草機(jī)器人，證明了實(shí)驗(yàn)的可靠性和實(shí)時(shí)性。
今后的工作將著眼于應(yīng)用所提出的跟蹤技術(shù)的多傳感器融合方案應(yīng)用于在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的機(jī)器人割草機(jī)控制全覆蓋路徑規(guī)劃[ 12 ]。
參考文獻(xiàn)