任冠佼 陳偉海 陳 斌 王建華

(北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

基于 PSD的觸須傳感器及在移動(dòng)機(jī)器人中的應(yīng)用

任冠佼 陳偉海 陳 斌 王建華

(北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

針對(duì)視覺(jué)傳感器無(wú)法解決的移動(dòng)機(jī)器人的全天候避障問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種觸覺(jué)傳感系統(tǒng).利用位置敏感探測(cè)器(PSD,Position Sensitive Detector)作為觸須根部的檢測(cè)元件,設(shè)計(jì)了一種機(jī)械結(jié)構(gòu),利用一個(gè)直接連接在觸須根部并側(cè)向出射激光的激光器,解決了觸須安裝困難以及安裝誤差對(duì)測(cè)量精度影響較大的問(wèn)題;提出了兩種全新的檢測(cè)機(jī)器人本體與墻體之間夾角的方法,可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人近墻行走,對(duì)兩種方法的優(yōu)劣進(jìn)行了比較,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了此兩種方法的可行性,并對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了分析.

移動(dòng)機(jī)器人;接近覺(jué)傳感器;避障

人類感知外界信息的主要手段有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)與觸覺(jué),目前移動(dòng)機(jī)器人感知外界信息主要是模仿人類視覺(jué)原理.但人們對(duì)仿生機(jī)器人在不確定環(huán)境下的工作成效提出了越來(lái)越高的要求,如要求機(jī)器人能夠在能見(jiàn)度低甚至無(wú)可見(jiàn)光的條件下進(jìn)行安全導(dǎo)航、避障以及檢測(cè)狹小空間等,如此以來(lái),單純依靠視覺(jué)傳感器已經(jīng)無(wú)法滿足要求,因此,觸覺(jué)傳感器作為視覺(jué)傳感器的補(bǔ)充應(yīng)運(yùn)而生.

國(guó)外學(xué)者對(duì)觸覺(jué)傳感器展開(kāi)了大量研究.文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)出一種剛性觸須探針,利用根部電位計(jì)測(cè)量觸須末端接觸信息,實(shí)驗(yàn)證明該傳感器能夠感知出外凸物體的輪廓信息,但這種電位計(jì)測(cè)量感知并不靈敏.文獻(xiàn)[2]提到的初期的 Sprawlettes機(jī)器人和后期的六足機(jī)器人可以依靠一只長(zhǎng)而粗的觸角進(jìn)行墻的探測(cè),以及近墻疾走,但觸須與墻體之間的角度信息只是靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得,未給出理論依據(jù).文獻(xiàn)[3]實(shí)現(xiàn)了物體輪廓信息的測(cè)量,但仍采用掃描方式,速度較慢.國(guó)內(nèi)對(duì)觸覺(jué)傳感器的研究較晚,文獻(xiàn)[4]討論了類似蝸牛觸角的工程觸須傳感器,可感知障礙物臨近,但必須依靠觸須伸縮實(shí)現(xiàn),速度較慢.文獻(xiàn)[5-7]對(duì)觸須傳感器進(jìn)行了大量研究,提出了基于位置敏感探測(cè)器(PSD,Position Sensitive Detector)的觸須傳感系統(tǒng),測(cè)量速度與精度有了很大提升,依靠此系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量物體外形、物體表面紋理信息以及利用觸須沿墻行走的研究,但避障實(shí)驗(yàn)仍主要依靠經(jīng)驗(yàn)公式,未能明確給出理論推導(dǎo).

綜上,目前觸須的研究主要集中在以下 3個(gè)方面:①障礙物外形輪廓檢測(cè)[8];②物體紋理信息檢測(cè);③機(jī)器人實(shí)現(xiàn)近墻快速行走[9].前兩者如需實(shí)現(xiàn)一般依靠觸須末端安裝微型驅(qū)動(dòng)電機(jī),讓觸須對(duì)物體進(jìn)行掃描,得出信息,速度較慢,而如果實(shí)現(xiàn)機(jī)器人近墻快速行走只需觸須被動(dòng)感知外界信息即可.本文針對(duì)第③點(diǎn)展開(kāi)研究.

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)近墻行走時(shí),發(fā)現(xiàn)機(jī)器人與墻體之間的夾角與觸須傳感器末端位移量存在一定關(guān)系,利用此關(guān)系可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的成功避障,但均未搞清楚避障的具體原理.本文就如何利用觸覺(jué)信息進(jìn)行避障展開(kāi)研究,揭示了觸須末端移動(dòng)量與墻體之間夾角存在何種關(guān)系,并提出了利用這種關(guān)系讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)成功避障的一種全新方法.首先,在詳細(xì)分析了文獻(xiàn)[5-7]觸須結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,利用二維 PSD設(shè)計(jì)了一種新型的觸須結(jié)構(gòu),能夠使測(cè)量精度提高,同時(shí)誤差減小;其次,提出了兩種利用觸須進(jìn)行近墻行走的全新方法,可測(cè)量機(jī)器人本體與墻之間的夾角;最后,針對(duì)提出的新方法進(jìn)行了避障實(shí)驗(yàn),測(cè)量機(jī)體與墻之間的夾角.實(shí)驗(yàn)證明本文提出的方法是可行的,有進(jìn)一步研究的價(jià)值,用其進(jìn)行避障是可行的.

1 觸須傳感器設(shè)計(jì)

1.1 二維 PSD原理

PSD是將光子轉(zhuǎn)化為電子的元件,可用來(lái)探測(cè)光斑重心在光敏面上的絕對(duì)位置,落在 PSD上的入射光轉(zhuǎn)換成電子后由電極探測(cè)形成電流.如圖 1所示,二維 PSD有 4個(gè)探針 X1,X2,Y1,Y2用以輸出電流,以及 1個(gè)公共引腳 VR用來(lái)輸入正向電壓.光斑重心在光敏面上的位置坐標(biāo)可以由以下公式得到:式中,D為光敏面邊長(zhǎng),由于本文選用的 PSD光敏面是15mm×15mm,因此 D為 15.本文選用的PSD型號(hào)為 HY1515,分辨率可達(dá) 1μm,響應(yīng)時(shí)間0.8μs,光譜響應(yīng)范圍 380～1100nm,為測(cè)量觸須末端偏移量提供了很好的精度和靈敏度保證.

圖1 二維PSD

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù) PSD的原理,在實(shí)際應(yīng)用中,本文需要通過(guò) PSD的輸出值得到觸須末端的位移量,從而獲得機(jī)器人碰到障礙物的信息,因此如何安裝PSD和觸須是個(gè)重要的問(wèn)題.對(duì)此,文獻(xiàn)[10]提出一種思路:傳感器的觸須采用了彈性材料制成的細(xì)桿(長(zhǎng)度 15～20 cm),在長(zhǎng)度上由粗到細(xì)以提高靈敏度.在接近觸須根部的位置(2～3mm),固連一個(gè)輕質(zhì)的遮光片,在遮光片正對(duì)光源中心的位置上開(kāi)了一個(gè)直徑為 0.8～1.0mm的透光小孔,作為二維 PSD(3cm×3cm)的檢測(cè)光源.當(dāng)觸須受力移動(dòng)時(shí),遮光片在觸須帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng),因此透過(guò)遮光片上的小孔照射在 PSD上的光斑產(chǎn)生位移,通過(guò)調(diào)理電路就能得到光斑在 PSD上的位置,再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的關(guān)系式,就能知道末端觸須的位移量.

作者仿照這種方案自制了一套觸須系統(tǒng),在安裝調(diào)試過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)重要問(wèn)題:①連接遮光片和觸須時(shí),實(shí)際中很難操作,精度也很低;②如果用彈性元件,加工和連接也是一個(gè)很難解決的問(wèn)題,成本大且精度低,而如果不使用彈性元件,遮光片的移動(dòng)量就會(huì)很小,從而導(dǎo)致 PSD上的光斑移動(dòng)量也很小,降低了測(cè)量精度.針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出一種新的結(jié)構(gòu),如圖 2所示.

本文采用激光源直接照射 PSD,當(dāng)觸須移動(dòng)時(shí)會(huì)直接帶動(dòng)激光源移動(dòng).這種結(jié)構(gòu)省去了遮光板,在加工和裝配時(shí)都可以做到操作簡(jiǎn)單且精度高.采用這種結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是:當(dāng)觸須末端受力發(fā)生移動(dòng)時(shí),激光源偏轉(zhuǎn),由于激光源與PSD之間間隔一定距離,PSD上的光斑偏轉(zhuǎn)量會(huì)產(chǎn)生幾何放大作用,增大了采集精度,減小了測(cè)量誤差.

圖2 新研制的觸須傳感器系統(tǒng)

如何根據(jù) PSD上讀取的光斑位置得到觸須末端的位移量成為本文接下來(lái)要完成的工作.

本文把觸須處理為懸臂梁,如圖 3所示.

圖3 觸須受力形變分析

當(dāng)有力 F作用于觸須末端點(diǎn)時(shí),忽略梁在軸向的位移,梁末端的形變量(即撓度)為 W,則在激光放置的 x處的撓度 Wx和轉(zhuǎn)角 θx分別為

式中,L為梁的長(zhǎng)度;x為激光源和根部之間的距離;E為梁的彈性模量;I為梁的慣性矩[11].但是在實(shí)際使用時(shí),并不用得到力 F的大小,只需知道末端位移量 W.因此必須找到梁末端位移和PSD上的光斑移動(dòng)量之間直接的關(guān)系.

又因?yàn)?

將式(4)分別帶入式(2)、式(3)可以得到:

所以當(dāng)觸須末端如圖 3所示運(yùn)動(dòng)時(shí),光斑在PSD上的位置 dx滿足:

當(dāng)觸須反方向運(yùn)動(dòng)時(shí),光斑在 PSD上的位置為

在實(shí)際使用中,觸須的長(zhǎng)度 L相對(duì)于激光源的安裝位置 x很大,所以 Wx和 θx都很小,故可以近似處理成:

所以

由式(10)可知,當(dāng) x和 L取定后,PSD上光斑的位置和末端位移量成線性關(guān)系.

2 利用觸須傳感器實(shí)現(xiàn)近墻行走

根據(jù)上述傳感器系統(tǒng),本文用其來(lái)實(shí)現(xiàn)近墻行走功能.當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)時(shí),如果碰到墻體,就能根據(jù)傳感器反饋回來(lái)的觸須末端位移量和機(jī)體前進(jìn)量得到機(jī)體與墻體之間的夾角,本文采用一維激光測(cè)距儀測(cè)量機(jī)器人本體與墻面之間的距離,兩次測(cè)得的距離相減就是機(jī)體前進(jìn)量.如圖 4所示,觸須碰墻后,彎曲到 B點(diǎn),傳感器檢測(cè)到的觸須末端位移量為 d,機(jī)體前進(jìn)量為 S.

圖4 機(jī)器人沿墻行走示意圖

為得到機(jī)器人本體與墻面之間的夾角 θ,本文考慮了兩種方法.

方法 1 θ與 d,S的關(guān)系滿足:

這種檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單,經(jīng)過(guò)本文多次實(shí)驗(yàn)得出數(shù)據(jù)可知,當(dāng)角度較小時(shí),比較準(zhǔn)確,但是當(dāng)機(jī)體與墻面之間角度增大后,誤差較大,當(dāng)機(jī)器人與墻面之間夾角為 75°時(shí),讀出的角度大約為 62°,誤差約 13°.經(jīng)過(guò)分析,本文認(rèn)為這是由于在傳感器標(biāo)定的時(shí)候,忽略了觸須在軸向的變形,所以當(dāng)觸須移動(dòng)到 B點(diǎn)時(shí),本文最初是把它標(biāo)定到了 C點(diǎn),所以 d的實(shí)際值是 CD,而不是 AD,即實(shí)際算出的是角度 α,所以在實(shí)際使用中當(dāng) θ較小時(shí),α≈θ,而當(dāng) θ較大時(shí)就出現(xiàn)了較大的誤差.

針對(duì)上述缺陷,本文提出 4種改進(jìn)方案:

1)在標(biāo)定時(shí),要考慮觸須在軸向的移動(dòng)量,即如圖 4所示的情況時(shí),得到的值應(yīng)該是長(zhǎng)度,而不是.本文要讀出實(shí)際值.

2)在實(shí)際測(cè)量機(jī)體與墻體的角度時(shí),如果能在 S很小時(shí),就得到觸須末端位移量 d,這時(shí)可以忽略觸須在軸向的位移量,即 A點(diǎn)和 B點(diǎn)之間的距離很小,因此算出的角度 α也是和實(shí)際角度 θ比較接近,誤差很小.

3)加長(zhǎng)觸須的長(zhǎng)度,當(dāng)觸須長(zhǎng)度達(dá)到一定值時(shí),就可以忽略觸須在軸向的位移量,精度也就能得到提高.

4)因?yàn)楫?dāng)機(jī)體與墻體之間的夾角較小(小于30°)時(shí),測(cè)得的角度還是很準(zhǔn)確的,所以在機(jī)器人實(shí)際使用傳感器來(lái)避障時(shí),可以考慮讓機(jī)體轉(zhuǎn)兩次角,這樣也能達(dá)到避障的目的.

綜合考慮后,本文選擇了改進(jìn)方案 1),提出方法2.

方法 2 在標(biāo)定時(shí)就測(cè)量觸須移動(dòng)到的實(shí)際值,考慮觸須在軸向的移動(dòng)量,在實(shí)際測(cè)量機(jī)體碰到墻后的末端位移量時(shí),

這里近似認(rèn)為△BFD為等腰三角形,頂角 β滿足:

因此,在機(jī)體實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,就可以由機(jī)體前進(jìn)量 S和末端位移量 d得到機(jī)體與墻體的夾角θ.

3 實(shí)驗(yàn)研究

由于本實(shí)驗(yàn)不需要機(jī)器人自主行走,本文采用一塊泡沫塑料模擬機(jī)器人本體,將觸須傳感器系統(tǒng)安裝在前端,同時(shí)在頭部安裝紅外測(cè)距儀.然后,作者在墻邊以 15°為間隔畫出放射狀直線,讓機(jī)器人沿直線向墻行走,則觸須接觸墻時(shí)必然產(chǎn)生形變,如圖 5所示.在 MATLAB中以機(jī)器人本體向前給進(jìn)量 S為橫軸,以末端移動(dòng)量 d為縱軸,畫出曲線,如圖 6所示.

由圖 6可知,d與 S的比值 K=d/S顯然與機(jī)器人和墻之間的夾角 θ之間有相應(yīng)關(guān)系.本文首先用第 2節(jié)中方法 1驗(yàn)證,tanθ=d/S計(jì)算出的角度滿足表 1.

圖5 機(jī)器人近墻行走實(shí)驗(yàn)

圖6 觸須末端偏移量與機(jī)體前進(jìn)量之間關(guān)系

表 1 方法 1測(cè)量出的機(jī)體與墻之間的夾角 (°)

由表 1可知,當(dāng)機(jī)體與墻之間的夾角為 30°左右或者更小時(shí),此種方法計(jì)算誤差較小,還是比較切實(shí)可行的,但當(dāng)夾角為 75°時(shí),誤差已經(jīng)較大.不過(guò)此種方法在精度要求不高的情況下也是可行的,例如當(dāng)機(jī)器人與前面有 60°夾角時(shí),機(jī)器人認(rèn)為夾角為 51°,此時(shí)轉(zhuǎn)角 51°,繼續(xù)往前行走,必然再次撞墻,這時(shí)與墻的夾角只有 9°,可以精確測(cè)量,經(jīng)過(guò)兩次轉(zhuǎn)彎就可避開(kāi)墻而不碰撞.

但為了提高避障的成功率與速度,算法可采用方法 2,實(shí)時(shí)計(jì)算出的理論值與實(shí)際值見(jiàn)表 2.

表 2 方法 2測(cè)量出的機(jī)體與墻之間的夾角 (°)

可見(jiàn),方法 2測(cè)出的機(jī)體與墻之間的夾角與實(shí)際值已經(jīng)相當(dāng)接近.經(jīng)過(guò)分析,作者認(rèn)為誤差的來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面:

1)建模的時(shí)候是將觸須處理為一個(gè)懸臂梁,懸臂梁只有在撓度很小的情況下才可按照 1.2節(jié)的方法分析,而在實(shí)際情況中,觸須很可能偏轉(zhuǎn)角度較大,產(chǎn)生非線性.

2)機(jī)械安裝存在誤差,激光源與觸須安裝若不垂直或者激光源與底座不平行都可能導(dǎo)致激光射在 PSD上的光斑偏移.

3)標(biāo)定時(shí)地面的放射性直線角度是作者手畫出來(lái)的,精度無(wú)法保證.

因此在后續(xù)工作中,具體的機(jī)械安裝方式還需要進(jìn)一步改進(jìn)從而提高精度,另外標(biāo)定方法需要進(jìn)一步改進(jìn),可采用角度或角速度傳感器讀出機(jī)器人精確的偏轉(zhuǎn)角度.

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論,在機(jī)器人近墻行走時(shí),只要知道觸須末端的移動(dòng)量和從接觸墻開(kāi)始的那刻機(jī)器人又向前行走的距離,就可以計(jì)算出機(jī)器人機(jī)體與墻面之間的夾角.此夾角可為機(jī)器人后續(xù)的避障提供重要信息.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一套觸須傳感器系統(tǒng),利用 PSD設(shè)計(jì)了一種新型的觸須結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上,本文提出了機(jī)器人沿墻行走時(shí),測(cè)量機(jī)器人本體與墻面之間夾角的兩種算法,實(shí)驗(yàn)證明兩種算法都是可行的,但是方法 2比方法 1有明顯優(yōu)勢(shì).即本文已經(jīng)可以測(cè)量機(jī)器人本體與墻體之間的夾角,這個(gè)數(shù)據(jù)可以直接發(fā)送給上位機(jī)產(chǎn)生導(dǎo)航與避障信息,具有重要價(jià)值.

今后可在此觸須系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu),增加加工精度,為避障提供更可靠的依據(jù).另外如何用這個(gè)夾角信息對(duì)機(jī)器人行走產(chǎn)生控制,也是作者未來(lái)的研究方向.

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(編 輯 :李 晶)

Antenna sensor based on PSD and application m obile robot

Ren Guanjiao Chen Weihai Chen Bin Wang Jianhua

(School of Automation Science and Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

In the environ ment with limited light,robot'sobstacle avoidance could not be realized if the vision sensor was used only.In order to deal with the problem,an antenna sensor system was designed.Position sensitive detector(PSD)was used as the sensing instrument and a laser pointer was attached to the antenna end,from which the laser was shot out to the other side.Following this approach,a new antenna mechanical structure was proposed to make the installation simple and to reduce the assembly error.Two new methods were proposed to detect the angle between the body and the wall.Advantages and disadvantages of the two methods were discussed.The robot could walk along the wall by the two methods and the effectiveness was experimentally demonstrated.What caused the error was analyzed at last.

mobile robots;proximity sensors;obstacle avoidance

TP 242

A

1001-5965(2010)05-0601-05

2009-06-15

國(guó)家 863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2008AA 04Z210);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60775059);北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(3093021)

任冠佼(1987-),男,河南商丘人,博士生,sqrgj831@sohu.com.