沈靜娟

浙江國自機器人技術(shù)股份有限公司 浙江 杭州 310059

1 移動機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由安置在底座前方的一個萬向輪和底座后左、右方的兩個驅(qū)動輪構(gòu)成移動機器人的執(zhí)行單元,實際運行軌跡是安置在底座后左、右方的驅(qū)動輪采用差速進行控制,控制系統(tǒng)的設計。機器人朝著給定位置處運行,當與檢測到的物體間距是(20～40)cm(>40cm)時,主要由紅外傳感器(四探頭一體防水超聲波)把相應的距離信息傳送到STM32F407主控電路,控制電路對傳送過來的數(shù)據(jù)信息進行分析,通過機器人專用輪轂電機控制機器人左右輪的運行速度以及運行姿態(tài),進而使機器人在其活動范圍內(nèi)躲避阻礙物體。

2 移動機器人傳感器

人類對外界信息的感知主要依靠眼、耳、口、鼻等感知器官,通過接收到的信息對外界建模,從中找到想要的信息。移動機器人對外界的感知同人相似,只不過他們的感知器官是傳感器,操作人員通過控制執(zhí)行器與傳感器實現(xiàn)對移動機器人的操控,使其能夠如同人類一樣活動、工作。

關(guān)于移動機器人的傳感器,主要表現(xiàn)如下:

2.1 激光雷達 在進行移動機器人研制過程中,光學探測器因其特有的高靈敏度等到廣泛應用,其能夠?qū)崿F(xiàn)對單個光子的有效測量。通常而言,不管是從功率方面還是體積方面,使用光子計數(shù)接收器都能夠促使傳感器和通信系統(tǒng)的光學應用更具效率。在實際應用中,這些接收器需要更小的空間、時間以及光譜濾波器,以此實現(xiàn)對不必要背景噪聲或雜波的降低目標。另外,通過激光照明的有源傳感器,還可利用激光發(fā)射器的狹窄空間、時間以及光譜特征實現(xiàn)對接收濾波器的有效調(diào)整,進而確保其靈敏度和信號效率得到增強。而且對于高分辨率三維空間成而言,其屬于移動機器人研制中的重要應用技術(shù)。

利用機載或星載微波雷達,能夠?qū)崿F(xiàn)對地面車輛的探測、跟蹤以及成像目標,但是如果有遮蔽物,比如樹冠、樹葉等,就可能導致雷達的性能降低。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,雖然長波長微波雷達能夠?qū)⒄趽跷锎┩?但是卻導致成像分辨率降低。經(jīng)過研究人員的不斷研制,高分辨率三維成像激光雷達應時而生,該技術(shù)不但能夠穿透遮擋物,對于軍用地面車輛都可進行有效識別。

基于此,本文在進行移動機器人傳感器研究中,對該種三維成像技術(shù)進行了充分利用,包括機器人視覺、制造質(zhì)量控制等方面的應用。

2.2 視覺相機 在將機器人準確導航到特定位置及方向時,視覺伺服起到了關(guān)鍵性作用。通過對以往技術(shù)進行分析研究發(fā)現(xiàn),自校準技術(shù)只是對靜態(tài)字校準情況的充分考慮,而在此狀態(tài)下的內(nèi)部參數(shù)不適用于對機器人的控制。

關(guān)于視覺應用,其主要目的是識別以及跟蹤具有獨特視覺特性或標志的對象。在對相機放置時,可通過模擬方法對任何特定相機放置的性能,進行有效測量,并在迭代網(wǎng)格線性編程基礎上獲取最高效的放置方法。同時,對于跟蹤隱私保護視覺監(jiān)控網(wǎng)格,應采用特定彩色標簽,同時在多個相機之間使用極限幾何,實現(xiàn)遮擋處理,以此創(chuàng)建識別、跟蹤以及視覺混淆系統(tǒng),并能夠?qū)崿F(xiàn)對監(jiān)視視頻中的個人隱私進行有效保護的目的。

另外,對于場景對象中的深度感知,其可被應用在移動機器人系統(tǒng)中的跟蹤或應用視覺伺服。在此過程中,3D飛行時間攝像機,可對范圍圖像進行有效提供,進而實現(xiàn)實時測量目標,以此改善相關(guān)類型任務。

3 移動機器人導航控制

3.1 移動機器人建圖 在對移動機器人導航控制進行分析的過程中,首先需要對移動機器人建圖進行了解,環(huán)境地圖一般包含拓撲結(jié)構(gòu)描述地圖和幾何地圖兩種。

在進行地圖創(chuàng)建的過程中,所使用的數(shù)學工具主要有三種,即簡單基于數(shù)據(jù)儲存結(jié)構(gòu)的搜索、單線的三角公式計算,以及概率的表述和推理方法。

對于移動機器人地圖而言,主要是指其所在環(huán)境的模型,研究人員將建立移動機器人地圖的過程稱為地圖構(gòu)建。而在地圖構(gòu)建中,較為常見的地圖類型有以下幾種:

3.1.1 尺度地圖 尺度地圖是較為常見的地圖類型,如圖1所示。在其中,位置用坐標值表示,其屬于地圖基本形式。在對移動機器人進行導航控制的過程中,大多數(shù)移動機器人在進行自我定位時所用的都是坐標系。

3.1.2 拓撲地圖 以某地鐵線路拓撲地圖為例,其地圖尺度和大小與實際情況有很大差別,而地圖主要是為了將列車停靠站以及各站點之間的連接線路進行直觀呈現(xiàn),研究人員將此類地圖定義為拓撲地圖。

在該地圖中,位置主要表示節(jié)點;各節(jié)點之間的鏈接表示為弧。該類地圖的特點并不是坐標的精確,而是各節(jié)點之間的連接。左右兩邊的拓撲地圖為等價關(guān)系,各節(jié)點之間的弧主要是為了表示這些節(jié)點之間的連接代價或是限制條件,這類地圖在軌跡規(guī)劃測驗中經(jīng)常被用到。

3.2 移動機器人導航 通過激光SLAM系統(tǒng),可將地圖構(gòu)建過程中激光雷達掃描得到的信息以及里程計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為2D柵格地圖。在此過程中,導航系統(tǒng)可利用該地圖中的各類數(shù)據(jù),對移動機器人的路徑進行有效規(guī)劃和定位。待上述操作完成之后,可將其轉(zhuǎn)化為移動機器人的速度指令。

將上述分析可知,移動機器人導航系統(tǒng)可被劃分為以下幾部分:

(1)數(shù)據(jù)收集層,也就是利用傳感器進行數(shù)據(jù)收集;

(2)全局規(guī)劃層;

(3)局部規(guī)劃層;

(4)行為層,也就是結(jié)合移動機器人當前狀態(tài)以及上層指令,為其布置當前行為指令;

(5)控制器層,其主要作用是與下位機進行通信。在對移動機器人進行指定導航的過程中,其具體流程如下:首先,操作人員啟動了全局規(guī)劃層和局部規(guī)劃層兩個規(guī)劃器,以此進行全局路徑規(guī)劃,以及局部路徑規(guī)劃,并通過地圖規(guī)劃組建形成移動機器人自身的代價地圖。

4 結(jié)束語

本文先對移動機器人的結(jié)構(gòu)和軟件平臺構(gòu)架進行了簡單分析,在此基礎上對經(jīng)典雙輪差動模型進行了簡單介紹,進而歸納出移動機器人的應用范圍;其次,對移動機器人的傳感器進行了全面陳述;最后,對移動機器人的導航控制進行了詳細分析。希望可以為相關(guān)人員進行移動機器人研究提供一定參考。