全方位传感器

用于机械人行走的一种全方位传感器

摘要

大部分自动行走机械人只在它们身体之前观察事物，其结果，他们可能和从旁边或从后面来的物体发生碰撞.为了要克服这个问题 , 一个全方位范围的传感器系统便孕育而生, 它能依靠激光圆锥平面和一圆锥镜子的作用来获得全(面) 方向的深度图. 在运动机械人的运行中,这个预定传感器系统以高的速度旋转激光点光源，从而产生一个激光圆锥平面; 这就产生了一个两维空间深度图,在及时的时间内,一个图像就被捕获一次. 物体- 感知就有可能依靠三维空间的深度图来实现，这个三维空间的深度图是建立在先前获得的二维空间深度图的基础上，是它们的结合,它可以运用在未知环境下机动机器人的物体识别及导航系统中。(1998 Elsevier 科学公司版权所有。)

关键字: 圆锥镜,激光圆锥平面,灵敏的全方位传感器,深度图;机动机械人

1. 介绍

许多研究员曾经试图使用外部和内在传感器操纵移动机械人行走。这个内在的传感器是由一个编码器，一个转速计，一个回旋装置和一个加速器组成的，它是用来确定机械人在的瞬时位置的。这些传感器可以用来探测机器人的绝对运动，但是如果累积起来的位置错误很多时，他们存在着明显缺陷，这些错误一般是由机器人运动了长距离时的旋转滑移及变形引起的. 外部感应器的目标是要探测并确定人的位置,这个位置是随着外界环境的变化而相应的变化。视觉，声纳，激光和触觉传感器都属于外部传感器, 而且他们在处理时间，速度，测量结果和费用都存在差别。关于真有相当高分辨的视觉传感器的研究现在正在这个领域中积极的开展.然而，大多数的机器人都是从前面来观察事物，这样一来，它们就可能与从侧面或从后面来的物体发生碰撞，因此，为了解决这个问题，人们力图获得周围环境的全方位信息。有一些方法是试图在周围环境中安装声纳传感器，但是其结果是它难以让机器人准确定位。而且，因为反射光谱的强度取决于方向指向声纳传感器的表面，所以它很难给那些超出一定范围的物体定位。尽管减少测量误差做了很多的研究(Peremans and Campenhout, 1993)，但都难彻底解决声纳传感器的低可行性问题。还有一些研究是通过旋转实时飞行器来获得深度数据(Freund andDierks, 1994; Miller and Wagner, 1987),但是这种方法以得使用到诸如用以反射光谱的时间旋转器，偏离器等高精度设备，它们的高成本是又难以接受的。除此以外，在实时应用中，旋转的摄影机也不适用，因为它需要相当长的处理时间，并且它测量物体和移动机器人的距离时的不准确。有一些方案运用了圆锥境(Hong et al., 1991)和双曲面境(Yamazawa et al., 1995),还有鱼眼镜，一旦图像被捕捉，它就不能解决测量运行障碍和机器人的距离时的不准确性，而这些数

据对机器人行走又是至关重要的。同时运用一面圆锥镜子和一个声纳传感器的方法也被尝试 (Bang et al., 1995), 但是这个方法的缺陷是它是不易确定那些自我定位的机器人,由于便用声纳传感器带来的的低可行性。

为了解决以上研究方法的不足,在移动机器人的行走中，一个全方位传感器系统便产生了，它装有一个圆锥镜，一个CCD摄影机和一个圆锥激光面，这个新型系统能产生一个二维深度图，在实时的时间内，再用三维的方法来处理这些图，就可以捕捉一次图像。这些深度数据是由传感器系统来探测的，它不仅对移动机器人的导航是必不可少的，而且在自动定位的程序中，用来确定机器人的绝对位置和方向也是至关重要的。此外，通过运用前面掌握的前面获得的二维深度图的综合，物体识别也可以实现。这就可能搜集出周围环境的三维深度图。

2．传感器系统

这种具有特殊性能的圆锥镜子可以被适当地利用在一些放置电压耦合元件照相机中。为了能利用这些特性，要把圆锥形镜子放置在与电压耦合元件照相机相互垂直的位置，如图1所示，在研究中为了全方面的测量深度数据，把一个激光点来源也被放在这个垂直的轴线上，并围绕这个轴形成一个圆锥激光平面。然后，这个激光点源高速旋转，围绕可移动机器人形成一个激光带，激光带的图象通过圆锥形镜子被照相机捕捉。这样，激光带即是一个独特的各个方位角上激光点的集合体。如果那些对应的深度数据用三角测量的方法加以计算分析，一旦图象被捕获，我们就能获得机器人周围的二维深度数据。这种感应器系统的优点列举如下。首先，这种感应器系统可以被有效的应用在一些系统例如可移动机器人中，那需要识别环境中随时随地存在的障碍，因为一旦图象被捕捉，二维的深度数据就能够快速获得。其次，因为利用一个某一个波长激光源的band-pass滤波器可以把噪音从图象中祛除，所以建立一个快速简单处理图象的运算法则是可能的。有关机器人周围环境的深度数据也可以用某种深度测量法则真正地加以计算和比较，这种法则则使用表格提示的方法。最后，通过垂直控制圆锥形激光表面的角度，并体现在二维深度图中，通过研究控制了激光角度的二维深度图，可以发现有关周围环境的三维深度图，然后可以把它{三维深度图}应用在识别物体等任务过程中。图2即是这种为可移动机器人建立的传感器系统。

2.1.传感器系统结构

这种传感器系统主要

分为激光源部分和照

相机探测部分，如图

1所示。激光源部分

由一个激光点组成，

它是整个系统的光的

来源和向各个方向发

射激光的仪器控制部

分。照相机探测部分

有圆锥形镜子、CCD

耦合元件照相机和过

滤器组成，主要用于

获得外部环境的全方

位视野。激光源的中心放置在与圆锥形镜子相互垂直的轴线上。这样做可以形成一个圆锥形激光平面，而且通过圆锥形镜子反射，照相机就可以获得激光图象。然后用三角测量方法计算和分析所获得的图象，即得到一个关于周围环境的二维深度图。由于获得

一个图象需要1/30秒，所以一个激光马

达必须旋以大约每分钟1800转的速度旋

转，以形成一个激光波面。

因为需要1/30秒的时间去捕捉图像，所

以需要激光马达转速达到1800rpm，从

而在这个时间中产生激光束平面。另外，

为了获得机器人周围环境的三维深度图

像，需要高精度步进电机（0.2度/p）垂

直扫描锥度激光平面。

2．2 传感器系统的射线分析

现在，为了从机器人周围环境获得真确的深度资料，需要对被提及的传感器系统进行射线分析。为了在笛卡尔坐标系描述射线路径，将使用射线方向和表面法向向量。在下面的描述中，将使用P a得下标表示矢量点的每个元素。例如，P a＝[x a,y b,z a]T。意相同的方式，用u b表示射线的方向，用n c表示单元法向节点。在这里，下标a,b,c,表示矢量的名称。用θ表示笛卡儿坐标系中的方位角，φ表