移动机器人定位系统设计方案

移动机器人定位--传感器和技术摘要确切的了解车辆的位置是移动机器人应用的一个基本问题。

在寻找解决方案时，研究人员和工程师们已经开发出不同的移动机器人定位系统、传感器以及技术。

本文综述了移动机器人定位相关技术，总结了七种定位系统：1.里程法；2.惯性导航；3.磁罗盘；4.主动引导；5.全球定位系统；6.地标式导航和7.模型匹配。

讨论了各自的特点，并给出了现有技术的例子。

移动机器人导航技术正在蓬勃发展，正在开发更多的系统和概念。

因为这个原因，本文给出的各种例子只代表各自的种类，不表示作者的倾向。

在文献上可以发现许多巧妙的方法，只是限于篇幅，本文不能引用。

1。

介绍摘要概述了该技术在传感器、系统、方法和技术的目标，就是在一个移动机器人的工作环境中被找到。

在测量文献中讨论这个问题，很明显，不同方法的基准比较是困难的，因为缺乏公认的测试标准和规的比较。

使用的研究平台大不相同，用于不同的方法的关键假设也大不相同。

再进一步，困难源自事实上不同的系统是处在其发展的不同阶段。

例如，一个系统已经可以商业化；而另一个系统，也许有更好的性能，却只能实验室条件下作有限的测试。

正是由于这些原因，我们一般避免比较甚至判断不同系统或技术的表现。

在这篇文章里，我们也不考虑自动引导车(AGV)。

AGV使用磁带、地下的引导线、或地面上的彩色条纹在作引导。

这些小车不能自由设计路径，不能改变自己的道路，那样它们无法响应外部传感器输入（如避障）。

然而，感兴趣的读者可能会在[Everett, 1995]找到AGV引导技术调查。

也许最重要的移动机器人定位文献的阅读结果，正是到目前为止，并没有真正完美的解决问题的方案。

许多局部的解决办法大致分为两组：绝对的和相对的位置测量。

因为缺乏一种完善的方法，开发移动机器人通常结合两种方法，从每个小组选一个方法。

这些方法可以进一步分为以下七类:I：相对位置的测量（也称为Dead-reckoning）1。

里程法2。

惯性导航II：绝对位置测量（基于参考的系统）3。

磁罗盘4。

主动发射引导5。

全球定位系统6。

地标式导航7。

模型匹配2。

传感器和技术概述在这部分中，我们将概述应用于移动机器人定位的传感器和技术，也将给出适用的商用系统的实例或证据充分的研究结果。

2.1 距离测量法距离测量法是目前应用最广泛的移动机器人定位导航方法，它提供了很好的短期精度，很便宜，并允许非常高的采样率。

然而，它的基本的想法是在整个时间里累积增量运动信息，这样随着时间的推移，不可避免地导致无限积累误差。

具体地说，定位误差将导致严重的横向位置误差，伴随机器人的行程，按比例增加。

尽管有这些限制，大多数研究人员都认同距离测量是一个机器人的导航系统的重要的组成部分。

如果距离测量精度可以提高的话，导航的任务可以简化。

例如Cox [1991]，Byrne 等[1992]，Chenavier 和 Crowley[1992]，提出距离测量数据和绝对位置测量融合方法，以获得更可靠的位置估计。

距离测量法是基于简单的等式（见[Borenstein 等, 1996a]），当驱动轮的转数可以变换成准确的相对于地面的直线位移时，它是精确的。

然而，如因车轮打滑以及其他一些更偶然的原因，轮子旋转可能不是成比例的转化为线性运动。

产生的误差可分为两类：系统误差和非系统误差[Borenstein 和 Feng, 1996]。

系统错误是那些源于机器人运动学的误差，例如轮子直径的偏差或相对于理想轮距的不确定性。

非系统误差是那些来自地板与车轮间的相互作用，例如车轮滑动或颠簸和裂缝。

通常，当一个移动机器人安装了里程/地标混合式的导航系统，环境中必须放置的地标的密度，从经验上已经决定了基于最坏情况下的系统误差。

一个或多个大型非系统误差发生时，这些系统都可能失败。

2.1.1 距离误差的测量在移动机器人中，一个重要但经常遇到的困难是距离误差的定量测量。

缺乏明确定量的距离误差测量规导致缺少移动平台的校准以及在科学交流上可比较的距离精度。

为了解决这个问题，Borenstein和Feng[1995]开发出一种方法，定量测量系统的距离误差，以及在一个有限的程度上的非系统误差。

这个方法，称为密歇根大学基准（UMBmark），它要求移动机器人预先编程自动跟踪4x4米的正方形和四个现场90度转弯。

这个过程是要在顺时针方向（cw）运动五次和逆时针方向（ccw）运动5次。

由距离法计算得到的机器人最后返回的位置与实际返回位置比较，将有一个类似如图1的图形。

图1的结果可以表达如下：--顺时钟组和反时钟组运行后的停止位置分布在两个完全不同的区域。

--顺时钟组或反时钟组部的分布是来自非系统误差。

但是，图1显示的是未标定车辆，运行在一个较为光滑的混凝土地面，在总测量误差中，系统误差显著大于非系统误差误。

--顺时钟组或反时钟组运行时不对称的重心的结果来自两类系统误差，统称为A类和B类[Borenstein and Feng, 1996]。

A类误差被定义为定位错误，它导致减少（或增加）转数，而不论是哪个方向正方形运动。

相比之下，B型误差导致减少（或增加）的转数，在两个方向上的作用是相反的。

一个典型的A型误差中轮距的作用是不确定的，而B型误差来源于轮子直径的不同。

实验进行UMBmark后一个数值,体现了odometric精度(相对系统误差)测试车辆可以发现[Borenstein峰,1996):UMBmark试验的基础上,Borenstein峰(1995、1996)开发了一种校准减少系统程序odometry微分传动车辆的错误。

在这个过程UMBmark测试在进行连续五次,公约的方向找到xc.g。

,连续波和xc.g.,公约。

从一组方程定义在[Borenstein峰,1995;两个校准常数]发现,这些图像可以包含在基本odometry计算的机器人。

应用该程序几个differential-drive平台是一个不断减少10到20倍的系统误差。

图2所示一个典型的校准结果的会议。

Emax,系统运行结果对于许多校准时段编织的LabMate机器人与平均Emax,系统= 330毫米无标定车辆和Emax,系统= 24 mm在校准。

2.1.2非系统测量误差Borenstein峰[1995]也提出了一种测量方法non-systematic错误。

这方法——UMBmark 扩展,可用于比较不同的机器人在相似的条件,虽然测量误差少non-systematic有用,因为这得视情况而定强烈的在地板上的特点。

然而,使用一套明确的不规则性和地板年近的平台错误可能Borenstein[1995]发展了一种方法非系统性检测和拒绝在移动机器人odometry错误。

这方法,两个合作平台不断非系统性相互纠正他们odometry(和一定的制度) 错误,即使是在两个平台上运动。

一个视频名为“瓣”展示这一系统的情况下运行包括在在文献[Borenstein等问题,1996 b])和[Borenstein 1995 v)。

一个商业版本的机器人,如图3,现在是可得到的[编织]“OmniMate名义下。

”,是因为它的部odometry误差修正,OmniMate 几乎完全麻木不仁的撞击,裂缝,或畸形放在地板上[Borenstein,1995)。

2.2 惯性导航惯性导航使用陀螺仪与加速度计分别测量旋转的速度和加速度。

测量值积分一次（或两次,对加速度计）得到位置。

惯性导航系统的优势是独立测量，也就是说不需要外部参考。

然而，惯性传感器数据是随时间漂移的，因为需要积分速率数据才能得到位置；任何一点小小的常数误差的增加，在积分后是不受约束的。

当超出扩展时间周期，惯性传感器大多不适合。

2.2.1 加速度计使用加速度计的测试结果对移动机器人的导航一般是不够的。

来自密歇根大学的研究信息发现，在较低的加速度（即在低的速度转变）下，信噪比很低。

加速度计有着广泛的漂移，它们也确实是对地面的不平坦敏感，这是因为来自任何高低不平的地面的干扰将引起重力加速度的一个分量被检测到。

一个低成本的惯性导航系统被用来克服包括以下倾斜传感器的问题[Barshan和Durrant-Whyte,1993;1995]。

倾斜传感器提供的倾斜信息提供给加速度计，以清除在加速度计的每个轴上表现出来的的重力成分。

尽管如此，从倾斜补偿系统得到的结果表明位置漂移率为1到8厘米/秒（0.4-3.1吋/秒），这取决于加速度变化的频率。

对大多数移动机器人的应用来说，这是一个无法接受的误差率。

2.2.2 陀螺仪陀螺仪（也称为“速度陀螺”或者是“陀螺”）对机器人定位是特别重要的，因为它们可以帮助补偿距离测量法最重要的弱点：在一个基于距离测量的定位方法里，任何小的瞬间的定位误差会导致一个持续增加的横向位置误差。

因为这个原因，如果定位误差能探测到并立即改正，它将是非常有益的。

对移动机器人的应用，直到最近，高度精确的陀螺还是太昂贵了。

例如，一个高质量的惯性导航系统（INS），如那些在一个商用飞机里安装的，将会有一个典型的工作中漂移大约是每小时1850米（1海里），价格由5万到7万美金（伯，1992）。

高端INS包用于地面在长距离行程中优于0.1%，但价格在10万美元到20万美金，而低性能的型号（即长距离时1%）在2万至5万美元之间[Dahlin 和Krantz,1988]。

然而，最近光纤陀螺（也被称为“激光陀螺”），具有众所周知的准确度，价格已大幅减少，已成为一个非常有吸引力的移动机器人导航解决方案。

一个商业上可用激光陀螺是安德鲁[ANDREW]公司的“Autogyro Navigator”，如图4。

这是一个单轴干涉型光纤陀螺(技术细节见[埃弗雷特,1995])。

它是基于偏振恒持光纤和精密光纤陀螺技术。

ANDREW最新型号Autogyro Navigator的技术规格见表1。

这种激光陀螺价格在1000美元以下，很适合作移动机器人导航。

2.3 磁罗盘在（x，y和θ）中，根据其影响相对定位累积误差情况，车辆航向是最有意义的导航参数。

因为这个原因，一个测量航向绝对值的传感器在解决自主平台导航需求中是极其重要的。

磁罗盘就是这样一个传感器。

任何磁罗盘都有的一个缺点，就是由于在电线或者钢结构附近的地球的磁场经常被扭曲 [Byrne et al.,1992]。

使得在室难以直接利用地磁传感器。

基于与地球磁场相关的效应的不同，可用的不同传感器有：机械磁罗盘；磁通门罗盘；霍尔罗盘；磁阻罗盘；磁弹罗盘。

最适合用于移动机器人应用的是磁通门罗盘。

只要保持一定的水平姿态，磁通门罗盘将测量地磁场的水平分量，伴随而来的决定性优势是低功耗、没有运动部件、容忍冲击和振动、快速启动以及相对较低的价格。

如果想要车辆在非平坦地形下操作，传感器线圈应该安装在平衡架上，避免机械损伤和由地磁场的垂直分量引入的严重的误差。