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庭院服務(wù)機器人自主充電對接方法研究

2019-09-02 09:17李倩崔煒秦月雅彭國旗
關(guān)鍵詞:充電站柵格障礙物

李倩,崔煒,秦月雅,彭國旗

(長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,長春 130022)

庭院服務(wù)機器人,可以實現(xiàn)自主巡邏、收取快遞、草坪修剪、垃圾運送等功能,具有靈活、便捷的特征,將廣泛應(yīng)用于庭院和智能小區(qū)管理。自主充電能夠使機器人在無人干預(yù)的情況下長期處于正常服務(wù)狀態(tài),為機器人的使用帶來極大方便。國內(nèi)外的學(xué)者對自主充電進行了廣泛研究,K.L.Su和J.H.Guo等使用激光測距儀和路標指示進行機器人自動充電對接[1],成功率高達99%,但對路標指示安裝位置要求嚴格,且激光測距精度易受外界環(huán)境干擾。Cassini等設(shè)計了一種通過光線束引導(dǎo)機器人與充電站進行自主充電的方法[2],該方法的導(dǎo)航布置復(fù)雜、成本較高、對環(huán)境適應(yīng)性較差。張?zhí)礻朗褂霉怆妭鞲衅魍瓿蓹C器人室內(nèi)定位與自動充電,使用航跡推算使得整個系統(tǒng)累積誤差增大,同時光電傳感器限制整個系統(tǒng)的速度[3]。黃穎等運用紅外激光和攝像頭輔助機器人自主充電,高效準確但作用范圍小,同時增加了成本。由于室外機器人充電系統(tǒng)環(huán)境復(fù)雜,以上方法過多依賴室內(nèi)環(huán)境,易受外界環(huán)境(陽光等)干擾使得自主充電的準確率和效率降低,黎陽生等將激光測距方法運用到室外機器人自主充電中,使用等腰三角形物體等硬件輔助消除干擾,雖然提高了成功率但增加成本和降低效率。

上述方法不能較好滿足庭院服務(wù)機器人自主充電需求,本文將RFID導(dǎo)航技術(shù)、磁導(dǎo)航和九軸陀螺儀相結(jié)合,設(shè)計一種庭院服務(wù)機器人自主充電對接方法,利用蟻群算法實現(xiàn)了最優(yōu)路徑選取,具有對接速度快、受環(huán)境影響小、穩(wěn)定性高、成本低等特點。

1 自主充電對接系統(tǒng)

本文以輪式庭院服務(wù)機器人為研究對象,庭院服務(wù)機器人自主導(dǎo)航定位組成結(jié)構(gòu)如圖1所示,機器人采用四輪結(jié)構(gòu),前兩輪為驅(qū)動輪,后兩輪為萬向從動輪。

圖1 機器人導(dǎo)航定位原理圖

主控處理器通過電機驅(qū)動器控制電機運動,并通過光電編碼器實時返回電機速度,實現(xiàn)對機器人行走速度的準確控制。在機器人檢測到電量不足的情況下,停止服務(wù)任務(wù),進入充電模式,機器人將充電命令通過WIFI模塊發(fā)送給充電站,充電站接受到命令進入準備充電狀態(tài)。此時機器人會根據(jù)RFID定位系統(tǒng)獲取機器人實時位置,結(jié)合已知的電磁軌道起始位置,運用蟻群算法制定最優(yōu)的導(dǎo)航路徑。機器人運動到電磁軌道起始處,安裝于底部的電磁傳感器檢測機器人相對于軌道的偏移量,并結(jié)合九軸姿態(tài)傳感器GY953獲取的機器人方向信息,得到電機控制量,電機驅(qū)動器根據(jù)控制量完成兩主動輪的差速控制,實現(xiàn)機器人沿著電磁軌道直線運行,進而與充電站進行精準對接,通過獲取充電站中3個限位開關(guān)的狀態(tài)來判斷對接狀態(tài),若對接成功便可開啟充電模式。

2 自主充電對接方法

為了提高機器人與充電樁的對接準確率,將室外庭院環(huán)境分為對接區(qū)域和非對接區(qū)域,如圖2所示,電磁導(dǎo)航區(qū)域為對接區(qū)域,機器人R在該區(qū)域進行姿態(tài)調(diào)整以便達到準確對接[4],除電磁導(dǎo)航以外區(qū)域為非對接區(qū)域,該區(qū)域中機器人只需要導(dǎo)航至O處,可以忽略機器人姿態(tài)問題,因此本文將對接過程分為遠距離導(dǎo)航和近距離對接。

圖2 庭院環(huán)境簡化結(jié)構(gòu)

2.1 遠距離導(dǎo)航

為了方便對接區(qū)域的準確對接,在非對接區(qū)域,機器人將導(dǎo)航目標位置設(shè)為圖2所示的O處,機器人到達O處后,停止遠距離導(dǎo)航進入近距離對接任務(wù)。

在非對接區(qū)域,獲取精確的機器人位置至關(guān)重要,精確的位置可以有效減少對接調(diào)整時間。當機器人電量低于閾值時,觸發(fā)充電任務(wù),由于機器人可能在庭院的任何位置,此刻首要任務(wù)就是確定機器人的位置。將3.5GHz超帶寬(UWB)的DWM1000射頻傳感器安裝于庭院的四個角落和輪式機器人中心處,A、B、C、D為閱讀器,機器人上為有源電子標簽,為了消除射頻傳感的鐘差,運用基于TOA的不對稱雙向測距[5]獲得電子標簽距離信息,如圖3所示。

圖3 不對稱雙向測距原理圖

不對稱雙向測距飛行時間tF為:

從而得到距離d=c×tF,其中,c為光速。

機器人上的電子標簽依次輪詢閱讀器A、B、C、D,測得電子標簽與四個閱讀器之間的距離依次為dA、dB、dC、dD。

采用極大似然估計實現(xiàn)機器人定位。已知4個閱讀器的坐標分別為A(xA,yA),B(xB,yB),C(xC,yC),D(xD,yD),假設(shè)機器人坐標為(x,y),建立機器人與四個閱讀器的距離方程組[6]為:

將方程組前三個方程分別減去第四個方程,得到線性化方程為:

其中:

使用最小二乘法求解式子(3)可得到機器人的坐標位置值。

獲得機器人坐標后,首要任務(wù)是將機器人導(dǎo)航至目標位置O處。此時會有兩種情況:

庭院中障礙物均是固定位置,對接區(qū)域?qū)凫o態(tài)場景。采用柵格法[7,8]建立庭院機器人的運動環(huán)境模型,為了機器人能安全通過,障礙物邊界未占滿柵格,也認為占據(jù)整個柵格。將非對接區(qū)劃分成等間隔柵格,且柵格的大小由機器人決定,機器人不能通過的地方為實心區(qū)域,可通過地方為空心區(qū)域,建模如圖4所示。

圖4中每一個柵格都可用坐標(x,y)來唯一標識,柵格化后,機器人只能向8個方向運動,由于傳統(tǒng)的蟻群算法存在容易陷入局部最優(yōu)路徑或收斂速度慢等問題,于是在柵格路徑選擇上使用改進蟻群算法[9,10]。

圖4 柵格法環(huán)境模型圖

其中,r為柵格(i,j)下一個可選柵格,b為障礙物,α為信息啟發(fā)因子,β為期望啟發(fā)因子,[γ(i,j)b(t)]-k=mind[(i,j),b]是螞蟻從柵格(i,j)到障礙物b的權(quán)重倒數(shù),η(i,j)(m,n)(t)為啟發(fā)函數(shù)。

由于螞蟻分泌的信息素會隨著時間變化逐步揮發(fā),假設(shè)ρ(0<ρ<1)為信息素衰減程度,1-ρ為留存的信息素程度。因此完成一次遍歷便對路徑中信息素按下式進行更新:

其中,M、N為尋找到最優(yōu)路徑[11]的螞蟻個數(shù)和最長路徑螞蟻個數(shù),lmin、lmax為最優(yōu)和最長路徑長度期望值。

當庭院中存在移動障礙物時,通過障礙物攜帶的電子標簽,實時獲取其位置。在靜態(tài)全局路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上,利用蟻群算法沿著全局路徑的方向進行局部尋優(yōu)[12],從而有效地避開動態(tài)障礙物,實現(xiàn)動態(tài)環(huán)境下快速達到目標點。

2.2 近距離對接

當對接不精確時,容易發(fā)生接觸不良,損壞機器人和充電站。因此,機器人必須進行近距離精準對接,通過磁傳感器、九軸傳感器獲得機器人的方向和位置信息,對該信息進行分析處理,完成近距離對接任務(wù)。

在非對接區(qū)域,沒有考慮機器人姿態(tài),進入對接區(qū)域時,輪式機器人方向具有隨機性或電磁傳感器沒有檢測到電磁軌道,因此,在對接區(qū)域必須對機器人姿態(tài)進行修正,以達到滿足自主充電系統(tǒng)對接要求。近距離對接過程如下:

(1)機器人進入對接區(qū)域,即機器人處于O處,啟動近距離對接程序;

(2)通過傳感器獲得機器人方向和位置信息,判斷機器人是否與充電站墻壁垂直,機器人是否與電磁軌道相交;存在如下判斷結(jié)果:

①方向垂直,機器人與電磁軌道相交,執(zhí)行步驟(3)。

②方向垂直,機器人未與電磁軌道相交,或方向不垂直,機器人未與電磁軌道相交,此時機器人原地順時針轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動過程中,電磁傳感器檢測到磁條,停止轉(zhuǎn)動執(zhí)行步驟(2);轉(zhuǎn)動過程中,電磁傳感器沒有檢測到磁條,開啟RFID定位,獲取機器人位置進行導(dǎo)航,若與目標O處之間沒有障礙物,機器人直接運動至O處,若有障礙物運行蟻群算法進行路徑規(guī)劃,以最優(yōu)路徑引導(dǎo)至O處后,執(zhí)行步驟(1)。

③方向不垂直,機器人與電磁軌道相交,以充電站到O處的方向為正方向。與軌道成銳角,機器人原地逆時針轉(zhuǎn)動,直到電磁傳感器再一次檢測到磁條,停止轉(zhuǎn)動執(zhí)行步驟(2);與軌道成鈍角,執(zhí)行步聚(3)。

(3)機器人通過電磁傳感器檢測相對于軌道的偏移量,結(jié)合九軸傳感器檢測到的角度偏差量,計算兩輪差速控制量,運用模糊控制進行近距離處理,執(zhí)行步驟(4);

(4)與充電站對接過程中,通過3個限位開關(guān)的狀態(tài)反饋充電對接狀態(tài):①限位開關(guān)C未觸發(fā),Z、Y至少觸發(fā)一個,說明沒有準確對接,機器人直接向后倒退0.8m,執(zhí)行步驟(2);②限位開關(guān)C、Z、Y均觸發(fā),說明正確對接,執(zhí)行步驟(5)。

(5)機器人與充電站完成對接,停止移動,進行充電任務(wù)。

圖5 限位開關(guān)安裝位置

經(jīng)過上述5步,即可完成機器人與充電站精準對接,實現(xiàn)安全可靠的充電條件。庭院服務(wù)機器人自主充電對接整個流程如圖6所示。

圖6 對接流程圖

3 目標對接仿真

為了驗證該自主充電對接方法的可行性、準確性以及實用性。對機器人導(dǎo)航能力進行仿真,其中路徑規(guī)劃參數(shù):螞蟻數(shù)m=50,迭代次數(shù)n=100,信息素增加強度Q=1,信息啟發(fā)因子α=1,期望啟發(fā)因子β=7,信息素衰減程度ρ=0.3。得到三條不同起始位的置最優(yōu)路徑如圖7所示,圖8中收斂曲線顯示,60次迭代后,曲線已經(jīng)收斂。

圖7 蟻群算法最優(yōu)路徑

圖8 蟻群算法收斂曲線

忽略機器人在彎道上速度的衰減,不考慮遠距離導(dǎo)航和近距離對接過程的切換時間,設(shè)對接區(qū)長度為1m,機器人速度為20cm/s。分別取與電磁軌道成 0°、30°、45°、60°和 90°五個方向的6個不同距離完成對接時間與距離關(guān)系仿真,如圖9所示,其中最下邊的線段表示無障礙物時對接時間與距離關(guān)系曲線,其余曲線存在凸起是由于出現(xiàn)障礙物造成的??傮w上,對接時間基本上與距離成正比,表明該對接方法具有良好的魯棒性和可行性。

圖9 對接時間與距離和角度關(guān)系

為了檢驗該對接方法的實用性。本實驗選擇大小為40cm*50cm、運行速度為20cm/s的輪式服務(wù)機器人,在面積為18m*18m的庭院環(huán)境中,設(shè)置如圖2所示的障礙物進行試驗。

根據(jù)上述仿真結(jié)果,蟻群算法參數(shù)設(shè)置為:m=50,n=60,Q=1,α=1,β=1,ρ=1,RFID定位采用均值法來提高定位準確性。共進行50次試驗,成功對接50次,達到預(yù)期期望。說明該對接方法具有高成功率。

4 結(jié)論

本文提出的基于有源RFID遠距離定位導(dǎo)航、電磁傳感器和九軸傳感器信息融合技術(shù)的近距離對接以及限位開關(guān)反饋對接狀態(tài)的自主充電對接控制方法,可適應(yīng)室外多變的惡劣環(huán)境。在室外多變環(huán)境下,可以很好解決庭院服務(wù)機器人自主充電對接成功率低、成本高、穩(wěn)定性差等問題。通過仿真運行效果驗證該自主充電對接方法的可行性,在多次試驗中,成功實現(xiàn)了機器人在室外環(huán)境下自主充電對接,具有良好的成功率和穩(wěn)定性,仿真和實際運行表明該對接方法滿足室外庭院服務(wù)機器人自主充電對接設(shè)計需求。

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