方青松 ，朱國魂 ，歐勇盛

（1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程及自動化學(xué)院，廣西 桂林541004；2.中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院，廣東 深圳518055）

近年來，伴隨著家庭服務(wù)機器人的不斷發(fā)展，關(guān)于機器人的室內(nèi)定位與導(dǎo)航技術(shù)也越來越受大家重視。本文提出了基于光斑的定位導(dǎo)航技術(shù)的一個移動機器人。該機器人體積小、機動性強，在有限的空間內(nèi)具有強大的電子工具和良好的可操作性。且機器人能源效率高，不會在同一個地方來回重復(fù)移動，保證了長時間工作不需要充電。目的是使機器人便于商業(yè)化，使普通消費者都能負擔(dān)得起。

室內(nèi)移動機器人的定位導(dǎo)航技術(shù)是室內(nèi)移動機器人領(lǐng)域的一個研究熱點。在相關(guān)文獻和技術(shù)研究中，定位與導(dǎo)航技術(shù)是移動機器人實現(xiàn)智能化和完全自主移動的關(guān)鍵。對定位與導(dǎo)航技術(shù)的研究，其目的在于使移動機器人在無人干預(yù)的條件下沿規(guī)劃的任意路徑移動并完成指定的任務(wù)。現(xiàn)有移動機器人常用的導(dǎo)航方法有慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、基于傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等以及它們的組合。如參考文獻[1]中提出了一種基于視覺的機器人室內(nèi)定位導(dǎo)航方法；參考文獻[2-3]提出了基于全景視覺的機器人自主定位方法；參考文獻[4]設(shè)計了機器人地板處理器的RFID導(dǎo)航系統(tǒng)。

上述技術(shù)方法同時也存在如下缺點：(1)基于安裝路標的方法，路標常常放置于地面上，容易被周圍過往的其他機器人所干擾，也容易人為損壞；(2)一些簡單的路標雖然圖像處理簡單，但是不具備糾錯性，而一些復(fù)雜路標雖然具有完整數(shù)據(jù)糾錯性，但是圖案過于復(fù)雜，運算復(fù)雜度高，對攝像頭要求也較高，實時性差；(3)一些基于路標的方法，只能沿已鋪設(shè)的路徑運動，路徑改變困難，不能實現(xiàn)真正意義上的自主化，不容易擴展到大環(huán)境下的機器人室內(nèi)定位導(dǎo)航；(4)基于攝像頭直接拍攝機器人進行定位的方法，對攝像頭的安裝有較高要求，而且在不復(fù)雜背景情況下，要想實現(xiàn)準確的檢測通常較為麻煩；(5)直接采用激光或者超聲陣列的方法，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對過高。

本文描述的室內(nèi)移動機器人采用兩束紅外光打在天花板上產(chǎn)生的兩個光斑實現(xiàn)絕對定位。此定位技術(shù)對移動機器人進行定位，定位誤差不積累，定位精度較高；且無需在地面上鋪設(shè)任何導(dǎo)航用標識物，對移動機器人的工作環(huán)境無特殊要求，路徑規(guī)劃靈活。該定位與導(dǎo)航技術(shù)對機器人本體的顏色、大小、形狀無特殊要求，對室內(nèi)地面色彩無特殊要求，具備定位算法簡單、運算復(fù)雜度小、定位準確、抗干擾能力強的優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于掃地、監(jiān)控、娛樂等家庭服務(wù)。

1 室內(nèi)移動機器人

1.1 機器人結(jié)構(gòu)

如圖1所示，室內(nèi)移動機器人采用傳統(tǒng)的兩輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，包括車體、兩個車輪（帶電機）、一個萬向輪、小型驅(qū)動控制板、一個紅外激光發(fā)射器、一個超聲波探測器、紅外接收器、無線串口通信模塊、供電模塊。其中，紅外激光發(fā)射器外部裝一個特制分光罩，如圖2所示，分光罩可以射出兩束光并在天花板上產(chǎn)生兩個光斑，而這兩個光斑是肉眼看不見的。

1.2 充電站結(jié)構(gòu)

充電站由機械本體、導(dǎo)電線、紅外發(fā)射器、紅外攝像頭、小型計算機構(gòu)成。充電站安裝于房間中間或一角，接通220 V家用電源。其中，紅外攝像頭采用普通CMOS廣角攝像頭外加紅外濾波片構(gòu)成；紅外攝像頭以能拍攝到大部分天花板的角度安放，鏡頭通過畸變校正，使得拍攝圖像點位置與實際空間點位置呈線性對應(yīng)關(guān)系；通過調(diào)整濾光片的厚度，配合閾值分割算法，來確定紅外激光的反射斑點的位置；主機系統(tǒng)用于運行機器人定位、導(dǎo)航程序，通過無線串口模塊向機器人發(fā)送控制命令。

2 定位方法

機器人在室內(nèi)移動時，發(fā)射的激光將在天花板形成兩個反射光斑。位于充電站的固定紅外攝像頭拍攝到天花板畫面，通過設(shè)置灰度閾值進行分割，提取出兩個反射光斑的位置[5-7]，如圖3所示。

兩個光斑的圖像坐標為(x1，y1)、(x2，y2)，依照投影公式：Q=M-1q，其中：

得到光斑在天花板的實際位置(X1，Y1)、(X2，Y2)。 上面公式中，q表示圖像點的坐標，Q表示空間點坐標，M為攝像頭參數(shù)矩陣。

在這里，由于小車上的激光發(fā)射裝置垂直安裝，光斑在天花板的實際位置和小車在室內(nèi)的位置直接對應(yīng)。機器人在室內(nèi)的實際坐標位置(X，Y)可用(X1，Y1)、(X2，Y2)的中點表示：

設(shè)上一幀圖像檢測得到機器人在室內(nèi)的實際坐標位置為(X′，Y′)，則機器人在兩幀之間運動的方向角α為：

由于激光發(fā)射器是對稱安裝于機器人左右兩側(cè)的，機器人當時的實際運動方向與(X1，Y1)、(X2，Y2)的連接線方向垂直，為：

依照機器人在兩幀之間運動的連續(xù)性，機器人當前時刻實際的運動方向角θ取與α夾角小于90°的那個方向，如圖4所示。

機器人當前時刻運動的速度V與旋轉(zhuǎn)的角速度ω分別近似為：

其中，t為兩幀的時間差，θ′為上一幀檢測到的實際方向角。

3 導(dǎo)航控制

機器人運行時，通過單片機實時檢測電力狀態(tài)。當電力不足時，導(dǎo)航系統(tǒng)開始控制機器人回到充電站進行充電。設(shè)充電站坐標為(X0，Y0)，則機器人當前運動方向θ與到充電站的方向β的夾角e為：

機器人的運動方向角θ、充電站方向角β與目標角e的示意圖如圖5所示。

機器人采用圖6所示流程躲避障礙物，并回到充電站。其中，控制機器人向充電站移動時，采用如下的控制方法，以減小偏角e且保持一定運動速度為控制目標，由PID控制算法，得到機器人的兩輪的控制目標速度VL和VR：

其中，P、D、I分別為比例、微分、積分控制參數(shù)，可依據(jù)經(jīng)驗調(diào)節(jié)；w表示控制量；k為轉(zhuǎn)換系數(shù)，由小車的輪距、輪半徑等決定；V0為小車的基準速度，在距離充電站較遠的位置V0可以較大，在距離充電站較近的位置V0可以適當減小，從而實現(xiàn)與充電站平穩(wěn)接觸，保持連接，進行充電。

4 實驗結(jié)果

經(jīng)過多次實驗，實驗結(jié)果達到了預(yù)期要求，如圖7所示。通過紅外攝像頭捕捉，可以獲取機器人打在天花板上的兩個光斑，通過紅外攝像頭附近的計算機，并進行圖像灰度轉(zhuǎn)化，執(zhí)行圖像分割，除去除了紅外光斑之外的所有其他東西，可以容易地知道機器人的位置和運動方向。在電腦中顯示了兩光斑的位置和運動方向。

本文將機器人原有的兩個紅外發(fā)射器改成了一個發(fā)射器，并達到了基于光斑室內(nèi)移動機器人定位與導(dǎo)航技術(shù)的要求，這不僅節(jié)約能源而且降低了成本。本設(shè)計通過實驗驗證了基于光斑的室內(nèi)移動機器人的定位與導(dǎo)航技術(shù)是可行的，雖然尚不完善有待改進，但完成了設(shè)計的基本任務(wù)要求，也為以后針對室內(nèi)移動機器人的定位與導(dǎo)航研究提出了一個新的方向，為室內(nèi)移動機器人的普及應(yīng)用開辟了前景。

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