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2007年IEEE的程序
機(jī)器人與仿生學(xué)國際會議
2007年12月15日-18，三亞，中國
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
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)來映射未知的環(huán)境。對于自動割草機(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，簡單的一種傳感器是不足夠割草機(jī)器人來完成這些任務(wù)。我們開發(fā)了一個配有DSPTMS320F2812作為CPU割草機(jī)器人。感測系統(tǒng)集成由超聲波傳感器，紅外傳感器，碰撞傳感器，編碼器，一個溫度傳感器和電子羅盤組成。超聲波測距技術(shù)變換是基于小波變換的精度高來表示的，以提高超聲波傳感器測量精度。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)定障礙檢測和定位顯示出巨大的潛力，為在動態(tài)工作條件下的割草機(jī)器人提供一個強(qiáng)大的高性價比的解決方案。
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)測表明，割草機(jī)器人將是一個最有前途的個人機(jī)器人應(yīng)用，并有重大的市場在世界上。因此，智能化的概念割草機(jī)器人（IRM）在1997年度會議的OPEI（ 戶外電力會議設(shè)備研究所）上第一次提出[ 1 ]。該機(jī)器人主要面對一般家庭幫助忙碌的人們和乏力的老人們節(jié)省支付雇傭勞動力的報酬，同時消除人們來自噪聲中，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)移動機(jī)器人不同，割草機(jī)器人得到很大的挑戰(zhàn)。
在整個工作區(qū)域內(nèi)，割草機(jī)器人使用傳感器來感知環(huán)境以及識別他們的實(shí)時狀態(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，一種簡單的傳感器是不足以讓割草機(jī)器人來完成這些任務(wù)的。因此有必要結(jié)合來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。為來自各種傳感器的信息能合并，傳感器魯棒性和實(shí)時性的融合是必需的[ 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)，說明其低功耗，高性能。超聲波傳感器檢測范圍是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。紅外傳感器的檢測范圍是0.02m~ 1m，他們可以檢測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距技術(shù)的需求，在研究超聲波測距技術(shù)基于高精度的小波分析變換（WT）的數(shù)據(jù)報道，提高超聲波傳感器的測量精度。測量數(shù)據(jù)從傳感系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃最佳的，可靠地，完全覆蓋整個工作計劃的地區(qū)，使割草機(jī)器人避免未知的障礙。
最后，通過仿真研究和實(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)是用來收集外部動態(tài)信息的工作環(huán)境
避障，地圖構(gòu)建，導(dǎo)航與定位。它也可以用來檢測車輛系統(tǒng)的運(yùn)動參數(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，計算速度快，行動準(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需人的干預(yù)。IRM由于模塊化設(shè)計，各單元的管理是相對獨(dú)立的。模塊化設(shè)計使維護(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間（TOF）信息原理，主要是由于其簡單性和成本相對較低，他們已廣泛應(yīng)用于移動機(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量的障礙物的距離。靈敏度函數(shù)的主瓣內(nèi)包含一個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
對于IRM，我們建立了一個傳感器陣列由12超聲波傳感器間隔30度的間隔。超聲波信號可以覆蓋所有的空間，可以要求哪些機(jī)器人檢測整個空間的環(huán)境信號。用基于TOF的測量的超聲換能器的經(jīng)典技術(shù)，計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)時間。距離D為反映對象的計算
D =（C×T）/ 2 （1）
其中C是聲音的速度，T是飛行時間。該TOF法產(chǎn)生一系列的值時，回波幅度首次超過臨界值后發(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觸發(fā)脈沖生成單元，一個多通道選擇單元和回聲接收單元。傳感器接口電路設(shè)計發(fā)送和接收超聲波脈沖，捕獲的總是第一個返回的回聲。一個對象相關(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的定時器單元產(chǎn)生的。驅(qū)動發(fā)射機(jī)有效而不帶來大的振動，40千赫的超聲波一次突發(fā)的時間是8周期。當(dāng)超聲波脈沖發(fā)射時，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到一個錯誤回聲。這個不能夠捕獲解決DSP中斷問題，直到延遲間隔已過。這意味著在延遲的時間間隔那測距儀不能檢測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在20cm內(nèi)的障礙，這彌補(bǔ)了超聲波傳感器由于失明問題所造成的區(qū)域的問題。
這個單元有16個紅外傳感器。每個紅外搜索器范圍有6度，是靈敏度函數(shù)主要的圓錐曲線的視圖。該傳感器具有一個高精度測量范圍，有效測量范圍是一個目標(biāo)到一米左右。一些測試表明，該傳感器的測距精度在±1cm左右。
為了節(jié)省DSP的資源，16個紅外傳感器采用DSP TMS320F2812的數(shù)據(jù)接口代替IO接口。這種結(jié)構(gòu)也可以同時讀取傳感器的狀態(tài)，以確保該系統(tǒng)的時間性能。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回波來處理其振幅。
割草機(jī)器人在室外環(huán)境中工作時，其溫度變化迅速。溫度的變化會影響聲音的速度。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)境會危害IRM電路，濕度傳感器被引入用于檢測濕度環(huán)境。雖然這些傳感器不完全是
一個自主割草機(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)置電子羅盤對于機(jī)器人的幫助，角，這是從第一個傳感器得來的角度，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（，）。這個距離是從原點(diǎn)到通過兩個傳感器數(shù)據(jù)檢測的二維平面稱之為。
現(xiàn)在讓我們用DMI測量值來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。這些值之間會有一個誤差
在這項(xiàng)工作中，我們自然假設(shè)是一個均勻隨機(jī)變量在（W，W）范圍內(nèi)。在這里，W表示最大距離測量誤差。這里的問題是，給定的，，r ，，，，，和，，，，，估計占用的坐標(biāo)細(xì)胞和（或等價的）以最有效的方法。涉及檢測對象的方程可以寫為
圖4所示機(jī)器人在X-Y段的位置
由于對象涉及機(jī)器人的方程被寫為
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），
可以寫為
在這里，如果我們進(jìn)行最小二乘法估計，我們得到
因此，我們用最小二乘法估計找到最好的位置。
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)是一個結(jié)構(gòu)化的實(shí)驗(yàn)室初步測試如圖5所示。開始在（0.3m，0.5m，0°），一個虛擬的機(jī)器人在虛擬廣場走廊一次。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，提出了一開始的目標(biāo)。機(jī)器人位置和方向是由電子羅盤成立[ 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。在測試中，我們發(fā)現(xiàn)，在估計的位置的平均誤差（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的情況下可以表示為
在這種情況下，估計角不會改變但估計距離是縮放到它的最佳估計。
因此，對于位置，距離估計是和以前一樣，而最小二乘估計的作品只對角
。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，被選定為初值問題域是因?yàn)樗⒁粋€相當(dāng)簡單的問題評價[ 9 ]。它這也奠定了更為復(fù)雜的基礎(chǔ)的問題領(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間變化的特性，并且是一個典型的非平穩(wěn)信號。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)方法估計時間延遲的[ 10 ]，我們把提出了廣義自相關(guān)方法基于小波變換的時延估計[ 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
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）是時間位移。小波變換的信號x（t）是y（t）。實(shí)際上這是一個過濾過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)于的白化濾波器對廣義相關(guān)方法的時間延遲的估計，為了消除輸入噪聲的影響做以下處理。可以找到，作為
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，檢測到的峰值來完成TOF的估計和計算實(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
嘈雜的超聲回波信號如圖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，通過希爾伯特變換。正如我們可以看到，如果每一個峰的橫坐標(biāo)點(diǎn)確定，TOF估計可計算?？紤]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回波被用來估計TOF。在TOF估計的值是，，，，，，這是對稱于X軸。使用這種方法，估計超聲波速度可以計算出來。
到目前為止，障礙檢測和定位系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)。運(yùn)用該方法，障礙物檢測和定位系統(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)時超聲波速度測量，該方法可以消除溫度，濕度和風(fēng)力的影響，超聲波速度測量可以在機(jī)器人工作的動態(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)器人一個強(qiáng)大的解決方案在動態(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量機(jī)器人和平面之間的距離。測量結(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)時超聲波速度測量。
通過上述方法，我們再次測量機(jī)器人和平面對象距離的。測量結(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)的障礙物檢測和定位擁有巨大的潛力，能作為—個強(qiáng)大的解決方案用提高于割草機(jī)器人性價比在動態(tài)工作條件下。
7. 結(jié)論
在本文中，我們提出了一個多傳感器系統(tǒng)結(jié)合超聲波傳感器測量用于割草機(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)