論文——智能定位與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的導(dǎo)盲機(jī)器人

1、<p>　　智能定位與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的導(dǎo)盲機(jī)器人</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　機(jī)器人在工作環(huán)境運(yùn)動(dòng)時(shí)需要追蹤起始點(diǎn)和終止點(diǎn)之間的路徑。本文將人工智能的方法應(yīng)用在機(jī)器人導(dǎo)航的映射和路徑搜索程序上，采用一種新的誤差校正算法，確定了機(jī)器人的位置，一個(gè)帶有運(yùn)動(dòng)控制單元的拓?fù)浜屠锍逃?jì)數(shù)單元是通過(guò)使用一個(gè)PIC單片機(jī)控制的電機(jī)，采用PWM驅(qū)動(dòng)

2、機(jī)器人。</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　雖然有些機(jī)器人不需要地圖工作，如跟蹤機(jī)器人或跟隨機(jī)器人，最常見(jiàn)的是基于地圖的移動(dòng)機(jī)器人。地圖中表示的是機(jī)器人關(guān)于它的工作環(huán)境的預(yù)先知識(shí)。映射的主要目標(biāo)是保存和生成的路徑相關(guān)的數(shù)據(jù)，與規(guī)劃技術(shù)合作，以產(chǎn)生一個(gè)路徑，使機(jī)器人從一個(gè)特定的位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)特定的位置[ 1 ]。</p>

3、<p>　　大多數(shù)的映射策略內(nèi)部使用本地化方法來(lái)表示各種各樣的變量，影響的機(jī)器人有關(guān)其室內(nèi)或室外環(huán)境的當(dāng)前知識(shí)。一些應(yīng)用映射技術(shù)需要復(fù)雜的搜索算法，以確定機(jī)器人的最佳路徑，消耗了大量的處理器內(nèi)存，導(dǎo)致計(jì)算昂貴的過(guò)程。路徑生成通常取決于導(dǎo)航傳感器的地圖數(shù)據(jù)，而不是用地圖數(shù)據(jù)這種低效率的過(guò)程產(chǎn)生[ 2 ]。</p><p>　　在本文中，機(jī)器人是設(shè)計(jì)用來(lái)使用特定的機(jī)器人導(dǎo)航的地圖引導(dǎo)盲人在室內(nèi)環(huán)境行走。拓?fù)?/p>

4、映射方法實(shí)施以盡量減少由于其他映射策略的環(huán)境表示的復(fù)雜性。該分析是基于里程計(jì)的機(jī)器人定位和減少不確定性，以建立一個(gè)地圖，除了拓?fù)浜?jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)高效的地圖導(dǎo)航。</p><p>　　一種新的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型的提出是為了建立一個(gè)高效的里程表，實(shí)施和測(cè)試多種技術(shù)來(lái)提高可靠性和降低里程表里程計(jì)誤差。</p><p><b>　　2 方法</b></p><p&g

5、t;　　一般情況下，移動(dòng)機(jī)器人采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或幾何圖，幾何圖實(shí)現(xiàn)最小的不確定性區(qū)域，所產(chǎn)生的路徑依賴于導(dǎo)航傳感器的地圖數(shù)據(jù)，相反，拓?fù)鋱D是更有效的計(jì)算方式，更容易應(yīng)用搜索算法。因此，拓?fù)鋱D的實(shí)現(xiàn)是為了測(cè)試和確保機(jī)器人映射的意義[ 2 ]。</p><p>　　圖1表示在節(jié)點(diǎn)和分支中以圖形方式表示的示例圖。節(jié)點(diǎn)代表特定地點(diǎn)，分支對(duì)應(yīng)于地圖上特定路徑上的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)之間的連接是用數(shù)學(xué)公式描述的。在拓?fù)鋱D中，應(yīng)選擇一個(gè)路徑

6、段，以得到一個(gè)特定的節(jié)點(diǎn)之間的路徑。第一節(jié)的起始節(jié)點(diǎn)是路徑的起點(diǎn)，稱為“源節(jié)點(diǎn)”。</p><p>　　最新段的端節(jié)點(diǎn)是路徑的，稱為“目標(biāo)節(jié)點(diǎn)”。沿著分割后的路徑將引導(dǎo)機(jī)器人從源位置到</p><p>　　結(jié)束位置。每個(gè)分支可以在極性或直角坐標(biāo)系中分析，如圖1所示，極坐標(biāo)系是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和分析的缺省系統(tǒng)，是基于極坐標(biāo)的映射過(guò)程的應(yīng)用算法。</p><p>　　圖1

7、使用拓?fù)溆成涞臉颖居成浔硎?lt;/p><p>　　2.2建立一個(gè)地圖(地圖學(xué)習(xí))</p><p>　　初始化的機(jī)器人導(dǎo)航之前，就發(fā)生地圖學(xué)習(xí)過(guò)程，一般來(lái)說(shuō)，有2種類型的地圖學(xué)習(xí)程序：高層次的編程，其中的環(huán)境地圖被存儲(chǔ)在機(jī)器人的編程，并導(dǎo)致通過(guò)，在該機(jī)器人是手動(dòng)導(dǎo)致通過(guò)環(huán)境，以收集其環(huán)境數(shù)據(jù)，使用傳感器和用戶的輸入，建立一個(gè)地圖。本文實(shí)現(xiàn)了鉛的方法是基于里程計(jì)數(shù)據(jù)。</p>&l

8、t;p><b>　　2.3路徑搜索</b></p><p>　　路徑搜索程序撤銷(xiāo)的地圖數(shù)據(jù)，并執(zhí)行特定的搜索算法，找到節(jié)點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑。智能搜索算法是利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，在搜索過(guò)程的輸出路徑結(jié)合了節(jié)點(diǎn)序列和這些節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系如圖2所示，其中A是源節(jié)點(diǎn)，D是目的節(jié)點(diǎn)，R1，R2，R3的拓?fù)潢P(guān)系。</p><p>　　當(dāng)運(yùn)用最優(yōu)搜索算法或其他直接搜索算法時(shí)，所

9、選路徑可以更短。搜索算法的選擇取決于所需的路徑和所使用的過(guò)程的能力。在我們的應(yīng)用中，使用一個(gè)微控制器，通過(guò)應(yīng)用“第一深度搜索”算法進(jìn)行路徑優(yōu)化。</p><p>　　圖2 樣品兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的路徑拓?fù)涞貓D</p><p><b>　　2.4航跡推算定位</b></p><p>　　機(jī)器人是使用推算定位的，從車(chē)輪運(yùn)動(dòng)的測(cè)量獲得機(jī)器人的位置分析。這種

10、方法是非?？煽康氖覂?nèi)環(huán)境映射[ 1 ]。但是也必須注意有一定的錯(cuò)誤。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)新的算法</p><p>　　糾正這些錯(cuò)誤。由于這樣的事實(shí)，即可以避免或最小化的計(jì)算錯(cuò)誤，除了易于應(yīng)用，在室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人中，增強(qiáng)的方法可以是最佳的定位方法。</p><p>　　移動(dòng)機(jī)器人中，增強(qiáng)的方法可以是最佳的定位方法。</p><p>　　EAD估計(jì)是通過(guò)兩種方式；加速度計(jì)

11、測(cè)量加速度和測(cè)量車(chē)輪走過(guò)的距離的例程測(cè)量法，所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，得到的處理這些測(cè)量的變量，也可以作為車(chē)輪的電機(jī)反饋。本項(xiàng)目采用里程計(jì)定位機(jī)器人因?yàn)楸燃铀俣扔?jì)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、價(jià)格更便宜。</p><p><b>　　3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)</b></p><p>　　本文實(shí)現(xiàn)了一種三輪機(jī)器人；兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)前面的自由輪確保了機(jī)械的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定性。車(chē)輪差速驅(qū)動(dòng)提高運(yùn)動(dòng)能力和提高

12、測(cè)距誤差修正。圖3顯示了機(jī)械布局。</p><p>　　圖3 電機(jī)和輪子布局</p><p>　　四種類型的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)施加不同的驅(qū)動(dòng)輪。運(yùn)動(dòng)型-A，兩個(gè)馬達(dá)以相同的速度和方向旋轉(zhuǎn)。這實(shí)現(xiàn)了一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)的直線（沒(méi)有微分的速度，因此沒(méi)有旋轉(zhuǎn)），如圖4所示。動(dòng)作類型-B：2個(gè)馬達(dá)以相同的速度旋轉(zhuǎn)，但在相反的方向上，因此，這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)將產(chǎn)生力偶矩。在結(jié)果中，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)將是圍繞電機(jī)中心軸旋轉(zhuǎn)。

13、運(yùn)動(dòng)類型-C，一個(gè)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)是鎖著的。這將導(dǎo)致一個(gè)旋轉(zhuǎn)的機(jī)器人有關(guān)的鎖定輪（接觸地面的鎖定點(diǎn)）。實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)輪子的中心運(yùn)動(dòng)傳輸，運(yùn)動(dòng)型-D，雙馬達(dá)在同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，但速度不同，在曲線網(wǎng)路徑的結(jié)果中，如圖4所示。</p><p>　　讓輪-1線速度V1，輪2線速度V2，X是機(jī)器人中心的X坐標(biāo)的變化，Y是機(jī)器人中心的Y坐標(biāo)的變化，并?是旋轉(zhuǎn)的角度。讓車(chē)輪在特定的時(shí)間內(nèi)行駛的距離是d = V * t，v是輪的線性速

14、度[米/秒]，而不是時(shí)間在[美國(guó)證券交易委員會(huì)]。但在某些情況下，距離的“D”將是弧形的，因此，可以用在旋轉(zhuǎn)?[紅]的角度來(lái)講，由于旋轉(zhuǎn)半徑R [M]，“弧長(zhǎng)= D = R *?”。這個(gè)方程可以被用來(lái)獲得“?”，因?yàn)槲覀兛梢缘玫竭\(yùn)動(dòng)反饋長(zhǎng)度。</p><p>　　圖4 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)類型</p><p>　　3.1車(chē)體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析</p><p>　　有兩種框架，在機(jī)器

15、人參考系中，原點(diǎn)是機(jī)器人的重心，原點(diǎn)相對(duì)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)是恒定的。</p><p>　　對(duì)于上型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的一般形式在類型A給出方程（1），如圖4a所示。</p><p>　　? = 0; y = 0; x = d (1)</p><p>　　類型B給出方程（2）來(lái)計(jì)算旋轉(zhuǎn)角定，這種類型的實(shí)現(xiàn)不平移，只圍繞機(jī)器人中心旋轉(zhuǎn)，如在圖4b中所示。

16、</p><p>　　? = A1 / r = A2 / r (2)</p><p>　　類型C在方程（3,4,5）中給出，如圖4C所示，旋轉(zhuǎn)角度和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)如下所示：</p><p>　　? = d / r (3)</p><p>　　x = r * cos (?)

17、 (4)</p><p>　　y = r * sin (?) (5)</p><p>　　類型D在方程（6,7,8,9,10和11）中給出，如圖4d所示；</p><p>　　A1 = R * ? (6)</p><p>　　A2 =

18、(R-L)*? (7)</p><p>　　? = A1 / R (8)</p><p>　　R = (A1*L)/ (A1-A2) (9)</p><p>　　y = Rc – Rc * sin (π/2 - ?) (10) </p&g

19、t;<p>　　x = Rc * cos (π/2 - ?) (11)</p><p>　　其中，d是每個(gè)車(chē)輪行駛的距離，使用一個(gè)運(yùn)動(dòng)反饋傳感器測(cè)量，r是以米為單位的半徑，他是機(jī)器人輪子間距的一半，Rc= R – (L/2)是旋轉(zhuǎn)半徑，A1是輪1運(yùn)動(dòng)的距離，A2是輪2運(yùn)動(dòng)的距離。</p><p>　　運(yùn)動(dòng)類型A，B和C可以成功地應(yīng)用于D型；因此我們

20、可以使用D型只做完整的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。否則，我們可以用A型與B型，A型與或C型進(jìn)行充分的運(yùn)動(dòng)分析。此外，它是可使用的運(yùn)動(dòng)類型A，B和C在一起或D型的運(yùn)動(dòng)更可靠。本文采用運(yùn)動(dòng)型D實(shí)現(xiàn)最大的可靠性和最大平滑度。</p><p>　　3.2運(yùn)動(dòng)分析的參考系</p><p>　　在機(jī)器人框架中對(duì)變量進(jìn)行傳遞，以參考框架，圖5被用作參考。因此，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)將是X距離相對(duì)于東，Y距離相對(duì)于北。通過(guò)三角函數(shù)

21、和解析幾何，方程（12,13和14）被用來(lái)計(jì)算新的X，Y坐標(biāo)，Xr和Yr,在相對(duì)參考系中統(tǒng)一X,Y的坐標(biāo)。</p><p>　　αnew= αold- ? (12) </p><p>　　Yr = Yr + y .ay (13) </p><p>　　Xr = Xr + x .ax

22、 (14)</p><p><b>　　圖5，運(yùn)動(dòng)參考系</b></p><p><b>　　4模型驗(yàn)證</b></p><p>　　有兩種類型的累積的里程計(jì)誤差；系統(tǒng)誤差，從[ 4 ] [ 5] 的結(jié)果可以看出，誤差主要來(lái)自于從機(jī)器人本身和其他情況，如輪子的性質(zhì)（由于車(chē)輪尺寸的變化而產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果

23、），以及運(yùn)動(dòng)型，四輪驅(qū)動(dòng)型，里程表的分辨率和精度設(shè)計(jì)。本文所面臨的二次錯(cuò)誤類型是非系統(tǒng)誤差，它是環(huán)境相關(guān)的錯(cuò)誤，它可以被地面性質(zhì)限制。</p><p>　　本文實(shí)現(xiàn)了一種有效的技術(shù)和算法可單獨(dú)應(yīng)用，但如果在合作中使用更有效，可以最大限度地減少測(cè)距誤差。這些技術(shù)屬于2個(gè)類型，首先是設(shè)計(jì)校正，這是創(chuàng)建通過(guò)選擇車(chē)輪金屬（鋁）和環(huán)的橡膠繞這個(gè)金屬輪。本設(shè)計(jì)可以防止由于應(yīng)力產(chǎn)生的車(chē)輪打滑和車(chē)輪尺寸變化。</p>

24、<p>　　差動(dòng)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪與特定的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生更少的測(cè)距誤差比轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)。選擇一個(gè)合適的分辨率的里程表經(jīng)歷更少的錯(cuò)誤盡可能。使用精確的表達(dá)式，相對(duì)于處理器的能力所需的變量的測(cè)量變量的計(jì)算精度增加的計(jì)算精度。</p><p>　　測(cè)量路徑的變化與實(shí)際行駛軌跡不同，因?yàn)樵谡系K物上滾動(dòng)車(chē)輪或是一個(gè)很難處理的問(wèn)題。通過(guò)選擇合適的車(chē)輪，它不能被最小化。第二類誤差校正解決此類問(wèn)題合作外部導(dǎo)航方法與測(cè)距單元避免這個(gè)錯(cuò)誤

25、的積累，由重置每一個(gè)檢查點(diǎn)。這種導(dǎo)航方法的重要性是，以確定是否存在任何本地化的錯(cuò)誤，并幫助在內(nèi)部糾正這些錯(cuò)誤。這種導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用信標(biāo)（地標(biāo)）識(shí)別地圖節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　在[ 6 ] [ 7 ]一個(gè)校正方法已被實(shí)施糾正系統(tǒng)誤差的設(shè)計(jì)校正，在本文中，除了優(yōu)化這些方法，視覺(jué)人工地標(biāo)已經(jīng)建立了覆蓋相對(duì)較大的環(huán)境變量的短距離。導(dǎo)航傳感器需要檢測(cè)和識(shí)別這些地標(biāo)。圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)被用來(lái)定位和識(shí)別這些地標(biāo)。它采用單攝像

26、機(jī)的合作系統(tǒng)的里程表。</p><p><b>　　5 實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲機(jī)器人</b></p><p>　　該系統(tǒng)被應(yīng)用到一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行的指導(dǎo)視力殘疾的人的任務(wù)。圖6顯示了機(jī)器人的方框圖。它是構(gòu)建在一個(gè)模塊化設(shè)計(jì)。處理器模塊是管理和同步單元。包括PIC16F877A和PIC16F876A單片機(jī)，拓?fù)浜屠锍逃?jì)單元分為兩個(gè)部分，一個(gè)拓?fù)浜土硪粋€(gè)里程計(jì)。每個(gè)人都有一個(gè)單片機(jī)PI

27、C16F877A作為處理單元。拓?fù)浜屠锍逃?jì)單元分為兩個(gè)部分，一個(gè)拓?fù)浜土硪粋€(gè)里程計(jì)。每個(gè)人都有一個(gè)單片機(jī)PIC16F877A作為處理單元。</p><p>　　圖6，導(dǎo)盲機(jī)器人方塊圖</p><p>　　圖7運(yùn)動(dòng)和映射單元方框圖</p><p>　　該單元的包括復(fù)雜的計(jì)算和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編程。主要功能框圖如圖7所示。用二次光學(xué)編碼器建立里程表[ 8 ]。運(yùn)動(dòng)部是一個(gè)控制器

28、，使用脈寬調(diào)制技術(shù)，對(duì)雙電機(jī)進(jìn)行控制，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)停止。該單元接收的距離和角度，機(jī)器人應(yīng)該在極坐標(biāo)移動(dòng)，并執(zhí)行它的計(jì)算，將此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信號(hào)控制電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。這個(gè)機(jī)器人的其他部分-通信，傳感器和外部導(dǎo)航方法-將在以后的工作中實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　6結(jié)果</b></p><p>　　雖然測(cè)距誤差是不可計(jì)算的，在本文中我們利用一個(gè)新的測(cè)試來(lái)測(cè)量這些錯(cuò)

29、誤。最通用和有效的測(cè)試技術(shù)是正方形的路徑測(cè)試，機(jī)器人被命令沿著一個(gè)正方形的路徑移動(dòng)，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的末端，理想情況下，它應(yīng)該返回到它的起始位置和方向。測(cè)距誤差之間指的是初始位置和最終位置之間的差值。導(dǎo)盲機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境被測(cè)試實(shí)現(xiàn)了100M的路徑引導(dǎo)，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。</p><p>　　圖8 里程計(jì)誤差平方的路徑測(cè)試</p><p><b>　　7結(jié)論</b><

30、;/p><p>　　車(chē)輪差速驅(qū)動(dòng)是最好配合里程計(jì)使用，適用在大多數(shù)的的環(huán)境下，如鋒利的地區(qū)。但它需要更精確的平臺(tái)和更高的控制精度。標(biāo)志和內(nèi)部位置校正是正確的測(cè)距誤差的一個(gè)非常有價(jià)值的方法。對(duì)于這樣的應(yīng)用程序，引進(jìn)機(jī)器人的學(xué)習(xí)計(jì)劃是有效的，不需要高精度，但需要較高的處理能力。地圖為基礎(chǔ)的路徑不能有效地單獨(dú)應(yīng)用；它總是需要與基于傳感器的路徑進(jìn)行合作，使機(jī)器人從源位置移動(dòng)到目標(biāo)安全。我們結(jié)合映射單元和運(yùn)動(dòng)控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)與里

31、程計(jì)和拓?fù)鋯挝缓献鳈C(jī)器人運(yùn)動(dòng)的高度精確的導(dǎo)航系統(tǒng)。</p><p><b>　　8引用</b></p><p>　　[1]麥克羅，P.J.，機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論，艾迪生–衛(wèi)斯理出版有限公司，1998。</p><p>　　[2] 倫納德，J，蘭特-懷特，“同步地圖構(gòu)建與自主移動(dòng)機(jī)器人定位”，IEEE智能機(jī)器人與系統(tǒng)國(guó)際研討會(huì)；1991年。</p&

32、gt;<p>　　[3] 魯格，G. F.，第四版，培生教育有限公司。2002年。</p><p>　　[4] 伯倫斯坦,J.豐，L.“測(cè)量及其在移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)測(cè)距誤差的校正，” IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化交易。12卷，第5號(hào)，1996.10。</p><p>　　[5] 伯倫斯坦,J “內(nèi)部校正航位推算誤差與雙驅(qū)動(dòng)兼容的移動(dòng)機(jī)器人“，機(jī)器人系統(tǒng)雜志，第4號(hào)，1995.4。<

33、;/p><p>　　[6貝烈格,J “使用一個(gè)單一的車(chē)載攝像頭估計(jì)移動(dòng)機(jī)器人的位置”碩士論文，德累斯頓技術(shù)學(xué)院，2002。</p><p>　　[7] 格雷費(fèi)，V，比紹夫，R，“智能機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航”1998,9。</p><p>　　[8麥庫(kù)姆，G，機(jī)器人制造者的幸運(yùn)，第二版，2001。</p><p>　　[9]] 伯倫斯坦,J.豐，L. “測(cè)