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硕士论文全区域覆盖移动机器人导航中的误差分析与校正 摘要 本文以全区域覆盖移动机器人为研究对象，重点研究导航中的误差分析与校正。导 航技术是全区域覆盖移动机器人的核心技术，主要涉及传感器技术及信息融合、定位技 术、全区域覆盖路径规划。目前关于传感器信息融合与全区域覆盖路径规划的理论研究 取得了卓越成果，但是在全区域覆盖移动机器人的实际运行过程中，由于各类误差的存 在，使得这些算法的应用效果不够理想甚至失效。因此全区域覆盖移动机器人导航中的 误差分析与校正显得尤为重要。 本文以自主研制的全区域覆盖移动机器人z i m r o b 为研究平台，针对基本区域的 全区域覆盖问题，将导航中的误差分为三大类：传感器引起的误差、机械系统引起的误 差和环境因素引起的误差。传感器引起的误差主要来源于编码器和三维数字罗盘。文中 在充分分析误差成因的基础上，设计了鉴相滤波电路用于消除由于抖动引起的编码器误 计数，并采用m t 测速法有效保证了测速精度。三维数字罗盘l p 3 3 0 0 2 3 2 自带校核程 序，但只能满足一般应用的需要，为了提高导航精度，根据罗盘的性能特征，应用最小 二乘法进行精确校正。机械系统引起的误差主要分为传动系统误差和驱动轮尺寸及安装 误差。前者可通过专门的传动误差测量系统予以确定，后者针对其中最重要的驱动轮轮 径不一致及轮距不确定问题，利用著名的u m b m 破法进行校正。环境因素引起的误差 中最普遍的是驱动轮非纯滚动引起的误差，即打滑引起的误差，本文讨论了利用编码器 和三维数字罗盘进行打滑辨识和误差补偿的可行性。通过分析可知，编码器与三维数字 罗盘提供的信息能有效辨识与校正机器人直线运动和弧线运动中的打滑误差，但是不足 以辨识与校正机器人做定点转动时的打滑误差。 关键字：全区域覆盖移动机器人，导航，误差分析与校正 a b s t r a c t 1 1 1 j st l l e s i sm a i n l yr e s e a r c h e st l l ee r r o ra 1 1 a l y s i sa i l dc o r r e c t i o no ft l l en a v i g a t i o nf o rt h e a r e a c o v e r i n gm o b i l er o b o t n a v i g a t i o ni st h ec o r et e c h n o l o g yo fn l ea r e a c o v e r i n gm o b l i e r o b o t 、h i c hi i l c i u d e sm u l t i s e n s o ri 赶o m l a t i o nm s i o n ，l o c a t i o na i l dc o m p l e t ec o v e r a g ep a m p l a l l a tp r e s e n t ，m a n ym e m o d so fm u l t i s e n s o ri i l f o n n a t i o n 血s i o na 1 1 dc o m p l e t ec o v e r a g e p a t hp l a na r ep r o p o s e d h o w e v e r ，t h ee 虢c to fa p p l i c a t i o ni sn o ta sg r e a ta se x p e c t e db e c a u s e o fv 撕o u se n 0 r s s ot h ee r i - 0 ra n a l y s i sa 1 1 dc o r r e c t i o no ft h en a v i g a t i o ni sv e d ，i m p o r t t h i st h e s i s ，b a s e do na na r e a c o v e r i n gm o b i l er o b o t1 1 a m e dz i m r o b ，i sf o c u so nt 1 1 e b a s i cc o m p l e t ec o v e r a g ep r o b l e m r h ee 仃o r so fn a v i g a t i o na r ed i v i d e dn o t 1 1 r e ea s p e c t s t h a ti st h ee m rc a u s e db ys e n s o r s ，t h ee r r o r 行o mm e c h 撕c a js y s t e ma n d t l l ee 1 1 r o rc a u s e db y c o m p l i c a t e de n v i r o n m e n t t h ee r r o rc a u s e db ys e n s o r si s 丘o mt 1 1 ee n c o d e ra n dm ed i g i t a l c o m p a s sv 础c hh a st h r e ed 硫e n s i o n s ac i r c u i ti sd e s i g n e dt oa v o i dt h ef i a l s ec o u n to f e n c o d e r 、v h e ni tv i b r a t e sa 1 1 dt h em 厂rm e t h o di sp r o p o s e dt om e a s u r et l l es p e e do fw h e e l s t h ed 谱t a l c o m p a s sl p 3 3 0 0 2 3 2h a si t so 、】v nc o r r e c t i o np r o 伊锄w k c h c a l l0 1 1 l ys a t i s 匆t l l ec o m m o n a p p l i c a t i o n s s ot h em e t l l o do f1 e a s ts q u a r e si su s e dt 0m a l ( ea 舢曲e rc o n - e c t i o n t h ee 玎( ) r 舶mm e c h 砌c a ls y s t e mm c l u d e st l l ee 仃0 ro f “v es y s t e m 锄dt l l es i z ea n di n s t a l l a t i o ne 仃o r o fm ed r i v i n gw h e e l s am e 2 l s u r e m e n ts y s t e mi s m t r o d u c e dt om e a s u r e ，a n a l y z e 甜1 dc o r r e c t t 1 1 ee m ro fd r i v es y s t e m t h eu m b m a r km e m o di su s e dt oc o r r e c tt l l em a i ne r r o rf - r o m d r i v i n g 、v h e e l s n l a ti st h ed i 丘b r e n td i 锄e t e ra n dt h eu n c e i t a i l lo ft h ed i s t a n c eb e t w e e nt h e t 、) l ，od 山i n g 7 h e e l s i nt h i sp a p e r ，am 砒o db a s e do nt h ee n c o d e ra n dt h ed i g i 诅lc o m l ) a s si s p r o p o s e dt od e t e c ta n dc o n - e c tt h es l i p p a g e e n d r 7 r m sm e 也o di se 丘e c t i v eo nr e c t i l i n e a r m o t i o na n dr o u n d i n g o u tm o t i o nw l l i c h l er o u n d i i l gc e n t e ri so u to ft h ew h e e la x l e ，b u tn o t e f r e c t i v eo nr o u n d i i l g o nm o t i o nw h j c ht h er o m l d i i l gc e n t e ri so n t l l e 、v h e e la x l e k e yw o r d s ：a r e a - c o v e 血gm o b i l er o b o t ，r 刖i g a t i o n ，e 仃0 ra n a l y s i sa 1 1 dc o 玎c c t i o n i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 躲盟纵砷年撕 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 批沙一年岛铂 硕士论文全区域覆盖移动机器人导航中的误差分析与校正 1 绪论 1 1 引言 全区域覆盖移动机器人是移动机器人研究领域的一个重要分支。与点对点移动机器 人不同，全区域覆盖移动机器人要求无遗漏，不重复或尽量少重复的覆盖整个区域，因 此全区域覆盖移动机器人是智能化更高的一类移动机器人。随着传感器技术，计算机科 学，人工智能及其他相关学科的迅速发展，全区域覆盖移动机器人正向着智能化方向发 展，其重要体现就是导航能力的高低。全区域覆盖移动机器人导航技术涉及的主要内容 为传感技术及信息融合、定位技术、全区域覆盖路径规划。目前关于多传感器信息融合 和全区域覆盖路径规划的算法研究取得了卓越成果。然而在全区域覆盖移动机器人的实 际运行过程中，由于传感器引起的误差，机械系统引起的误差以及复杂多变的外界环境， 使得这些算法的应用效果不够理想甚至失效，因此全区域覆盖移动机器人导航中的误差 分析与校正显得尤为重要。本文以自主研制的全区域覆盖移动机器人z i m r o b 为研究 对象，针对基本区域的全区域覆盖问题，重点分析了导航过程中的各类误差，并提出相 应的校正方案，以促进全区域覆盖移动机器人的实用化和产业化。 1 2 移动机器人的研究现状和发展趋势 1 2 1 国外移动机器人的研究现状 国外移动机器人研究起步较早。美国是移动机器人研究起步最早的国家之一，以科 考、军事领域的移动机器人最为著名。科考领域最具代表性的是n a s a ( 美国国家航空 和宇宙航行局) 发射的火星探测机器人“勇气 号与“机遇 号，他们基本糅合了以往 美国火星探测器的最大优点，并且装备齐全，是当时人类发射的最复杂的机器人。目前 n a s a 又资助卡耐基梅隆大学为其研制月球探测移动机器人s c a r a b “圣甲虫 ，如图1 1 所示。s c a r a b 的技术要求颇高：第一、要能够顺利攀过陡峭的岩石坡，并将勘探装置钻 入地表深处，获取地外土壤从而进行成分分析。第二、要面对极其恶劣的外部环境。月 球南极是没有止尽，及其寒冷的极夜。在那里s c a r a b 无法通过太阳能获取能量，或者自 动充电，所以s c a u r a b 需通过使用放射性同位元素来提高能量的使用效率。此外，s c 砸b 必须依靠最新的，低耗能的激光传感器使其能够安稳的在完全黑暗的环境下行驶。i r o b o t 制造的各种军用机器人一向以轻巧实用著称。从波斯湾战争到伊拉克战争，再到“9 1 1 ” 事件，美国都运用了大批i i b b o t 生产的军用机器人，从而以很少的人员伤亡取得了巨大 的军事和反恐胜利。2 0 0 8 年i r o b o t 公司又推出了新型军用机器人金属风暴m e t a ls t o n i l ， 如图1 2 所示。在民用领域，美国的移动机器人研究也从未停止过，例如h u s q v 锄a 公 碰士论文 司最近推出的太阳能动力混合模式割草机，如图13 所示。该割草机器人以太阳能为主 要动力，并且在当天的太阳不足以提供所需能量的情况下，机器人会自动返回充电点 充电后继续工作。 图l1 月球探测机器人s “圣甲虫”图l2 军用机器人金属风暴m e n ls t 0 肌 日本更注重服务性和娱乐性移动机器人的研究。r f s l 是由日本研制的一款著名的 清扫机器人。它由感应器、中央控制器、吸尘和清扫部件、滚轮和控制、电源等主要部 件组成，自 接受预编的程序、线路，又能即时感知某些环境特征，做到“快速通行、巾 速清手1 、慢速重点清扫”，还能自主地搭乘电梯，实现换层作业。n e c 公司推出新款机 器人“帕佩罗”，是一款有趣的娱乐机器人。 英国，德国，荷兰等欧洲国家也在不断深化移动机器人的研究，例如，德国斯图加 特市弗劳恩霍弗制造工程与自动化学院所研制的机器人保姆c a 陀0 一b 0 t3 ，如图14 所 示。它的手臂拥有极强的灵活性，三根手指不但可以抓住物体，还能按下按钮操纵其他 机器；它的脚是四个独立、可向不同方位移动的轮子，这让它在碰见很狭窄的过道时也 能畅通无阻。它全身遍布不计其数的传感器，例如立体彩色照相机、激光扫描仪和三维 市体摄像头，让它能实时了解身边的环境。它通过声控或手势控制有自我学习能力。 庐吣， 伤 田l3 太阳能动力混合模式割草机器闰l4 机器人保姆c a m - o - b m3 1 2 2 国内移动机器人的研究现状 近两年，我国科考移动机器人研究发展迅速。在国家8 6 3 计划先进制造技术领域的 支持f ，由国家极地研究中心、沈阳自动化研究所、北京航空航天大学组织的科研攻关 小组，在我国第2 4 次南极科考中，首次试验成功了具有我国自主知识产权的“冰雪面 硕士论文 全区域覆盖移动机器人导航中的误差分析与校正 移动机器人”，如图l5 所示。“冰雪面移动机器人”可自主跨越冰裂缝、翻越雪坡和雪 丘，最大作业半径为2 5 公里。身上可搭载4 0 公斤的重量，同时还可以拖曳1 0 0 公斤的 重量。南极之旅中，它可搭载一个高精度的差分全球定位系统( d g p s ) 和一套常规气 象观测站，进行科学考察。它能够开展海冰卸货运输路线探察、冰盖裂隙密集区前置探 路、极端恶劣条件下科学考察等工作。2 0 0 8 年4 月2 3 日，由上海航天局领衔研制的中 国首辆登月车工程样机通过了上海市科委的项目验收，如图16 所示。月球车是探月二 期工程探测器系统的重要组成部分，计划2 0 1 3 年由着陆器携带抵达月球表面，完成月 面巡视勘察和就位探测。月球车是多学科、高技术集成的复杂系统工程，涉及到机器人 技术、无人驾驶技术、材料科学、信息技术、先进制造技术、工艺技术等多个领域，对 提升中国的自主创新能力，带动相关产业发展，推进月球探测、火星探测工程将产生深 远影响。 随着现代军事技术的发展，无人战车将是未来战场上一支新的生力军。它能使有生 力量面临的风险降到晟小，又能通过丰富的信息交互使作战手段多样化，大大增强作战 能力和战场指挥的应变能力。目前，由中国兵器工业集团与德国r 0 b o w a t c h 公司共同出 资组建的驰意公司推出了一系列新型监视机器人与移动侦察机器人。这一完整的配套系 列，能完成从前线战场侦察、运输、救援、作战、扫雷、后勤保障、基地警戒、反恐排 爆等各种任务，涵盖了大多数军事、准军事领域。该公司研制的新型室内监控的机器人 m o s r d ，可以代替警卫人员在仓库、机场、停车场，以及重要场馆的v i p 通道、会议 室等地方执勤。还能在一些特殊场合比如弹药库、燃料库等完成危险性的检查工作，。 如图17 所示是移动侦察车o f r o ，能够广泛用于军事基地、机场、临时仓库、油库等 场所，执行安防监控、化学武器探测等任务，配各了性能可靠且通过认证的气体探测器， 能够探测出目前所有的军事、工业用有毒气体，比如硫代氰酸、神经毒气、芥子气等， 数秒钟内给出确切的分析结果。如图l8 所示是模块式排爆机器人a s e n d r o e o d 。它 的爬坡和越障性能优良，最大爬坡度可以达到4 0 。，可越过o1 5 0 2 米高的障碍物，执 行爬楼梯动作。它还使用了先进的控制算法，可以执行精确慢速动作，这在排爆作业中 非常重要。大型无人车g h r y s o r ，功能强大，可以适应复杂的外界环境，可以作为营 砸论文 救车、核生化侦察车、自主运输车、通信中继车或攻击武器等使用。甚至可以在货舱里 搭载其他小型无人车，到达目的地后卸下，组成机器人战场任务小分队。 耻17 移动侦察车o f r 0图l8 模块式捧爆机器人a s e n d r o e o d 在服务和工业领域，中科院自动化所研制研发的集多种传感器、视觉、语音识别与 会话功能于一体的智能移动机器人c a s i a i 是典型代表之一。它的基本结构由传感器、 控制器以及运动机构构成，其中传感器由以下几个部分组成：位于机器人底层的1 6 个 触觉红外传感器，位于机器人中问两层的1 6 个超声传感器和1 6 个红外传感器，以及位 于机器人项部的摄像机c c d 。这些传感器和c c d 一起构成了移动机器人的多传感器系 统。c a s i a i 身高8 0 c m ，直径4 5 c m ，运行最大速度为8 0 c m 如。可广泛应用于医院、 办公室、圈书馆、科技馆、展览馆等公共场合的服务、作业、娱乐以及家庭服务。 1 2 3 移动机器人的发展趋势 1 ) 不断提高高端移动机器人的智能化 计算机技术和传感器技术的飞速发展为高端移动机器人扫清了硬件上的障碍。但 是，缺少能够适应不同环境和任务的控制算法是目前高端移动机器人普遍存在的问题， 因此关于移动机器人控制算法的研究依然是移动机器人智能化的热点。 2 ) 提高移动机器人的操作能力 移动机器人研究的最终目的在于：为人类的生活和生产服务。因此，在达到一定智 能化程度的基础上，提高移动机器人的操作能力将是移动机器人的另一个发展方向。目 前为移动机器人装备移动机械手是这一领域的研究热点。移动机械手由一个机械手固定 在一个全方位移动机器人平台上构成。机械手用来实现一些动作如抓取、操作等，通过 平台的移动来扩大机械手的工作宅间，使机械手能以更适合的姿态执行任务。 3 ) 多机器人系统研究 4 硕士论文全区域覆盖移动机器人导航中的误差分析与校正 随着机器人应用领域的不断拓展，对机器人的要求不再局限在单个机器人。多机器 人系统研究成为另一个热点。它主要研究如何分解和分配任务给多个机器人，以及如何 保持机器人之间的运动协调，最终共同完成一项工作。目前，美国和日本在这一领域处 于领先地位。美国u s c 大学s o c i a l l ym o b i l e 和t h e n e r d h e r d 实验系统在多机器人学习、 群行为、协调与写作等方面开展工作。日本n a g o y a 大学的c e b o t 系统研究涉及到系 统体系结果、通讯、信息交护等许多方面。中国科学院沈阳自动化所的m r c a s 系统在 多机器人写作理论研究的基础上开展多机器人协作的实验研究。 4 ) 在满足使用功能的基础上削减移动机器人生产成本 通过使用性能较高但价格昂贵的传感器和信息处理中心能够提高移动机器人的定 位和导航精度，但也使得机器人生产成本提高，不利于普及。特别对于一些家用型机器 人，例如智能割草机，智能吸尘器等。如果能够使用价格适中的硬件设备，通过有效的 方法人为减小硬件设备的误差，使其达到实际应用的要求，将大大推动移动机器人的发 展和普及。 1 3 全区域覆盖移动机器人导航中的关键技术 1 3 1 传感技术及其信息融合 移动机器人要实现自主导航，必须通过传感器获取自身和外部信息。因此可将移动 机器人的传感器分为两大类：1 ) 内传感器，主要有编码器、罗盘和陀螺仪等；2 ) 外传 感器，最常用的有声纳、红外、激光传感器等。随着计算机技术的迅速发展，视觉传感 器的应用也越来越广泛。此外，移动机器人还可以根据实际需要安装触觉、压觉、滑觉 等接触型传感器。 对于移动机器人的各类传感器，最重要的指标是可靠性。虽然传感器生产技术快速 发展，但是单一传感器获取的信息往往是片面的，因此多传感器信息融合越来越受到重 视。它通过信息的冗余和互补，大大提高了信息的可靠性。该领域的研究主要集中在： 1 、多传感器系统的设计和融合建模；2 、信息提取方法；3 、信息融合的通用结构。其 中信息融合的通用结构是难点。目前，大部分多传感器信息融合方法，都是针对不同问 题提出的不同融合方法。如卡尔曼滤波、d s 证据推理理论、模糊集理论、贝叶斯估计、 人工神经网络等。孔凡等人采用基于扩展卡尔曼滤波的信息融合算法，建立了一个基于 多传感器结构的移动机器人局部路径规划与控制系统。该系统由一个五阶极坐标多项式 表示的路径产生器、由扩展k a h n a n 滤波器( e k f ) 融合算法实现的位置估计器及由p i 控 制组成的路径跟踪器来完成机器人的导航和避障任务，如图1 9 所示n 1 。d s 证据理论 由d e m p s t e r 提出，s h a f e r 加以扩充和发展而形成的一种信息融合方法乜嵋】，可以处理由 不知道所引起的不确定性。它采用信任函数而不是概率作为度量，通过对一些事件的概 l 绪论硕士论文 率加以约束以建立信任函数而不必说明精确的难以获得的概率，当约束限制为严格的概 率时，它就成为概率论。王晓东等人重点讨论d s 证据理论在履带式移动机器人障碍检 测系统中的应用h 1 ，采用多超声波传感器来获得机器人的环境信息，利用d s 证据理论 进行信息融合。实现了机器人在不确定的环境中实时获取外部环境信息进行障碍检测及 轨迹规划。邱瑛等人针对移动机器人中所用的超声波传感器和c c d 摄像机，以b p 网络 作为基体，基于模糊规则的模糊神经元的形势来构成一个模糊神经网络，并建立了网络 的计算模型，该方法成功地应用在移动机器人在动态环境的避障中晦1 。 左光电编码器 右光电编码器 量瓣卜 传感器信i 、“7 息滤波器l 主 滤 波 器 图1 9 基于扩展卡尔曼滤波器的移动机器人信息融合结构示例 1 3 2 定位技术 移动机器人定位是其导航控制中的一个重要问题，可以分为两大类：相对定位和绝 对定位。相对定位的主要方法之一是测距法。测距法短期精度较高、价格便宜，但其误 差容易不断累积，需要一定的校正措施。b o r e n s t e 洫和f e n g 两人提出的u m b m 2 u r k 法伊7 1 ， 容易实现，不需要复杂的设备，是目前被广泛认可的测距法系统误差的校正方法之一。 另一种相对定位方法是利用陀螺仪在载体内部测量载体运动加速度，经积分运算，得到 载体速度和位置等信息。该方法定位精度高，但成本昂贵，维护保养等后续问题较难解 决。 绝对定位的主要方法有：1 ) 信标定位；2 ) g p s 定位；3 ) 基于环境模型的定位等。 信标定位中，移动机器人首先凭自身的概略位姿确定信标的位置，然后，利用传感器测 量其与信标的相对距离和方向，通过三角法等几何运算获得移动机器人的位姿。全球定 位系统( g p s ) 是近来通信技术发展起来的一个革命性技术，现在随着全球通移动通信网 络( g s m ) 的逐渐无缝铺设，g p s 、g s m 组合技术导航系统正越来越多的得到应用，定位 精度也得到不断的提高；文献 8 】对g p s 系统、g p s 信号、d g p s 的差分定位原理及d g p s 在移动导航中的作用作了概述。详细介绍了利用伪距差分定位方法实现智能移动机器人 导航的过程。基于环境模型的定位方法不需要人为放置信标，而是利用环境中自然存在 的特征来实现机器人的定位。文献 9 】提出了一种基于霍夫( h o u 曲) 空间模型匹配的全局 定位方法。该方法将经典h o u g i l 变换引入移动机器人全局定位，利用摄像机获取外界环 6 翌磊 感一 一感 传一 一传 距一；一距 测一 一测 外一 一外 红一 一红 硕士论文 全区域覆盖移动机器人导航中的误差分析与校正 境的局部地图特征，与给定环境模型在h o u 曲空间进行匹配，由h o u 曲变换可分解性 及环境模型相关性分别获取机器人可能的位姿信息，并用一系列高斯值表示，借助求取 的位姿方差及其概率分布以及给定环境模型信息别除不可能位姿，最终实现移动机器人 全局定位，该方法尤其适用于室内结构化环境。 在定位要求较高的场合，单一的定位方法已不能满足精度需求。因此提出了组合定 位的方法提高移动机器人定位精度。杨放琼与r a w i l l g o s s 等人提出了g p s 信号与测距 法的融合模型n 训，该融合模型使得g p s 信号误差对移动机器人位置估计的影响大大降 低。沈猛等提出了以惯性导航为基础，磁感应器修正的移动机器人组合导航方法口。该 方法以陀螺仪、磁感应器和里程计作为导航信息的检测器件，每隔一定的距离，利用磁 感应器检测到的信息对陀螺仪和里程计进行修正，使得移动机器人能够精确定位、长时 间稳定运行 1 3 3 全区域覆盖的全局路径规划 全区域覆盖的全局路径规划是指在一整片区域内规划出一系列移动机器人的行走 路径，并且无遗漏，不重复的覆盖整个区域，它反应了移动机器人的运动可能性，效率 和能量消耗情况。 根据障碍分布特点，将全局路径规划分为两部分，基本区域的全局路径规划和一般 区域的全局路径规划。 1 ) 基本区域是指具有任意闭合曲线边界且区域内无障碍的区域。移动机器人针对 基本区域的全局路径规划是基于能量消耗的指标考虑的。割草机器人的运行路径要基本 覆盖整个区域，它可以有多种覆盖方式，例如向内螺旋式和迂回式，如图1 1 0 所示。 a ) 内向螺旋式规划b ) 迂回式规划n 2 1 图1 1 0 基本区域的全局路径规划 2 ) 一般区域是指由一条闭合曲线包围的且包含障碍物的区域。全区域覆盖移动机 器人的工作区域大多是一般区域。目前，针对一般区域的全区域覆盖路径规划研究可分 为单元分解法、基于神经网络的方法、多机器人覆盖等，各种方法都具有一定的适用场 合和优缺点。 1 、单元分解法 单元分解法又可细分为精确单元分解法和近似单元分解法。 7 1 绪论硕士论文 精确单元分解法可保证区域的完全覆盖，是目前全区域覆盖算法中运用最广的方法 之一。它以障碍物为边界，将空闲区域分解为一些互不重叠的单元，由于单元中不包含 任何障碍物，机器人可用简单的往返运动实现单元覆盖。m o r s e 分解法是一种被广泛认 可的精确单元分解法。机器人利用传感器信息在线寻找障碍物关键点，再通过构造不同 的m o r s e 函数寻求最合理的区域分解方式，以适合机器人覆盖不同形状的环境。这里， 路经规划问题可由两步来决定：第一步，识别包含起点和终点的单元；第二步，搜索邻 接图得到一个连接起始单元和终了单元的单元序列n 卜蝎1 。m s a 分解法的宗旨为提高覆盖 效率，其基本思想为尽量较少覆盖中转弯次数，使区域的最小高度和最小。但是m s a 分解法是一种理想分解，没有在理论和实际上得到证明，其示意图如图1 1 1 所示h 7 1 。 图1 1l 不同的覆盖方式产生更少的转弯次数1 近似单元分解法与精确单元分解不同，它将整个区域看成一个大单元，细分该区域 为形状大小相同的多个小单元，再将小单元分解成多个更小的单元。通过不断的递归分 解，目标区域由一系列符合要求的微小单元组成。将所有不包含障碍物的空闲单元建成 连接图，通过对连接图的搜索，产生一条穿越所有空闲单元的路径。空闲单元之间的大 小和形状一致，所有空闲单元的总和近似于目标区域中的无障碍区域。为了实现全区域 覆盖，可以设计机器人的机身或传感器范围与空闲单元大小一致，当机器人走过一个单 元，就完成该单元的覆盖，机器人按该路径行走完整个区域，就完成了全区域覆盖。 g a b r i e l v 和髓m o n 提出了s t c 算法n 8 1 ，将目标区域递归的分解成一些单元，丢弃被障 碍物占用的单元，空闲单元再细分成四个一样大小的子单元，子单元的大小与机器人机 身或传感器范围相同，构建一棵包含所有空闲单元的生成树，通过对生成树的访问而实 现区域的全覆盖。 2 、基于神经网络的方法。 大多数基于神经网络的方法都需要有一个事先的学习过程，需预先获得复杂的环境 信息。因此，基于神经网络的方法多适用于预先规划好的室内环境。为了解决这个问题， f u t o m i 等人在未知环境中用网格地图表示工作区域n 钔。机器人通过网格地图进行学 习，试图将基于神经网络的方法应用于未知环境。y h g 锄dl u o 提出了一种针对非固定 8 硕士论文全区域覆盖移动机器人导航中的误差分析与校正 环境的全区域覆盖路径规划方法啪1 ，但是该方法需假定环境是已知的。为此作者又对之 前的方法进行改进，使它同时适用于未知环境。首先作者建立了新型的具有学习能力的 神经元动力学模型，在此基础上提出了基于地图创建的全区域覆盖路径规划算法乜。 3 、多机器人覆盖 多机器人系统是移动机器人研究的热点领域。r e k l e i t i s l 于2 0 0 4 年提出了一种基于 多机器人的全区域覆盖算法昭射。该算法将机器人分为两种角色：探索机器人和覆盖机器 人，两台探索机器人以相同速度前进，当不能相互直线可见时表明两者之间存在障碍物。 当某关键点终止一个单元但又产生两个新的单元时，机器人分成两个小组，并且转化为 覆盖机器人，分别覆盖障碍物的上下单元。m a x i i n a 提出了一种类似于随机覆盖策略的 多机器人覆盖算法乜引，其基本思想是机器人在一定范围内感知到其它机器人时就相互排 斥，从而使多个机器人尽量均匀的分散在环境中，提高覆盖的效率。该方法的优点是设 备简单，不需要环境的地图也无需g p s 。受自然界中一些群体性生物的启发。s k o e l l i g 和d p a y t o n 等人采用类似蚂蚁在走过的路径上留下信息素的办法让机器人在经过的地 方留下标记乜劓，其它机器人通过感知这些标记来避免重复覆盖，提高覆盖效率。脚e r 等人研究了针对室内环境的多机器人全区域覆盖算法汹啦! ，该算法中机器人之间通过留 下的特殊气味进行通信，由于气味会逐渐挥发，机器人可以通过感应气味的强度来判断 其他机器人的距离。该算法的另一个优点是：即使机器人出现故障或连接图发生变化， 只要图仍然连接就能保证全区域覆盖。 1 4 论文的研究背景和意义 1 4 1 全区域覆盖移动机器人广泛的应用前景 全区域覆盖移动机器人具有广泛的应用前景。在科考领域，全区域覆盖移动机器人 能够完成资源勘探以及特定区域的全区域搜索。在军事领域，全区域覆盖机器人能在危 险环境下进行扫雷作业、搜救伤员。全区域覆盖移动机器人在农业领域具有独特的优势， 智能化的农作物播种机、收割机、施肥机等能够大量减少人工作业，提高工作效率，并 以其独特的稳定性有效提高农作物产量。在欧美国家，草坪割草机器人和地板清洁机器 人发展迅速，尤其受到行动不便的老年人和工作繁忙的上班族青睐。但是这些机器人普 遍存在智能化程度不高或价格昂贵等问题。因此若能在控制成本的基础上，提高智能化， 生产出高性价比产品，必然具有巨大的市场前景。 1 4 2 全区域覆盖移动机器人实际应用过程中存在的技术难点 目前全区域覆盖移动机器人普遍存在智能化程度不高、通用性不强、对环境变化的 适应性较差、价格昂贵等问题。其主要技术难点为： 1 ) 全区域覆盖移动机器人的控制理论及策略研究。 9 l 绪论硕士论文 相对于传统的点对点移动机器人而言，全区域覆盖移动机器人不仅需要关注是否正 确到达目的地，还需关注中间的覆盖过程，它要求机器人无遗漏，不重复或尽量少重复 的覆盖整个区域。因此全区域覆盖的路径规划算法研究和控制策略研究具有很高的难 度。 2 ) 硬件设备的误差。 任何控制算法的实现都需依托于一定的硬件设备。硬件设备不可避免的存在误差， 主要表现为传感器误差和机械系统误差。有效控制误差，提高硬件设备的性能始终是全 区域覆盖移动机器人工业化生产过程中的难点。 3 ) 活动环境的复杂性。 一方面任何控制策略都有其适用范围。随着活动环境的变化，有些算法将失去应用 价值。因此活动环境的复杂性进一步提高了算法研究的难度。另一方面不同的活动环境 对硬件设备的要求也不同，尤其是对传感器的要求。例如强磁场环境中，罗盘的性能将 大大降低；存在噪声干扰的地方，超声波传感器可能不能正常工作等。设计一个具有较 强适应能力的全区域覆盖移动机器人难度较大。 1 4 3 全区域覆盖移动机器人导航中的误差分析与校正的重要意义 1 ) 自主导航技术是全区域覆盖移动机器人的核心技术。要实现自主导航，关键在 于合理的路径规划，精确的定位和准确的路径跟踪。根据不同的路径规划，其路径跟踪 方式不同，但是核心问题在于如何使机器人走直线和正确的转弯。为了使机器人按预期 路径行走，一般通过电子罗盘、陀螺仪等多种传感器来获取机器人的位姿，但是这些传 感器不可避免的存在误差。另一方面由于路面环境的不确定性，车轮可能发生打滑现象， 使机器人偏离既定轨道，需要予以及时校正。因此为了实现全区域覆盖移动机器人安全、 可靠的运行，导航中的误差分析与校正研究具有重要意义。 2 ) 使用性能较高但价格昂贵的传感器和信息处理中心能有效提高全区域覆盖移动 机器人的导航精度，但是也使得机器人生产成本提高，不利于普及。因此，如果能够使 用价格适中的硬件设备，通过有效的方法修正这些设备产生的误差，使其满足一般应用 的需要，将大大推动全区域覆盖移动机器人的发展和普及。 1 5 论文的研究内容 本文主要包括以下几方面的研究内容： 1 ) 基本区域的全区域覆盖导航技术 基本区域是指具有任意闭合曲线边界且区域内无障碍的区域。虽然在现实环境中， 多为一般区域( 区域内存在障碍物) ，但是基本区域问题的研究是解决一般区域问题的 基础。本文侧重研究导航中的误差分析与校正，所以从最基本的情况入手。为了推动全 l o 硕士论文 全区域覆盖移动机器人导航中的误差分析与校正 区域覆盖移动机器人的产业化，本文致力于建立经济型的导航系统，综合精度、可靠性、 经济性多方面因素，选择编码器、三维数字罗盘作为机器人导航系统的传感器。在这些 传感器的基础上研究如何实现全区域覆盖移动机器人在基本区域中的自主导航。 2 ) 全区域覆盖移动机器人导航系统的误差源分析 主要研究全区域覆盖移动机器人导航中的误差来源。传感器方面，主要来源于编码 器和三维数字罗盘；机械系统方面，主要分为传动系统误差和驱动轮尺寸及安装误差； 外界环境复杂多变，例如路面不平整，雨后湿滑等都可能使机器人在导航过程中产生误 差，其中对全区域覆盖移动机器人影响最大的是打滑引起的误差。 3 ) 全区域覆盖移动机器人导航中各类误差的分析与校正 a ) 传感器引起的误差分析与校正 a ) 编码器误差分为：制造误差、外界环境引起的误差和测速方法不完善引起的误 差。其中制造误差需在编码器设计和制造过程中予以校正，由于本文是在已有编码器 t i m - 2 e h l 0 0 0 b 的基础上讨论校正方案，因此重点分析与校正后两类误差。 b ) 三维数字罗盘的误差主要分为两大类：系统误差和环境因素引起的误差。本文 将在详细分析两类误差的基础上，利用罗盘自带的校核程序进行初步校核，再根据误差 特性，通过最小二乘法完成精确校核。 b ) 机械系统引起的误差分析与校正 a ) 传动系统误差 传动系统误差反映整个传动链的传动质量，本文将介绍一种测量精度较高的传动误 差测试系统，用于分析与校正该类误差。 b ) 驱动轮尺寸及安装误差。针对其中最重要的，由于驱动轮轮径的不一致及轮距 的不确定引起的误差，采用著名的u m b m 础法进行校正。 c ) 驱动轮非纯滚动引起的误差 驱动轮非纯滚动引起的误差即打滑误差是移动机器人误差校正的难点。本文重点从 理论上讨论基于编码器和三维数字罗盘的打滑辨识与校正策略。 2 全e 域疆越移动机器人导航系统的建立和误差杯分析 顼论文 2 全区域覆盖移动机器人导航系统与误差源分析 2 1 全区域覆盖移动机器人z i m r o b 系统描述 如图2i 所示，是自主研制的全区域覆盖移动机器人z i m r o b 。 图2 iz i m r o b 实物图 主要具有以下几方面的特点： 1 ) 能够实现全区域覆盖自主移动功能 全区域覆盖自主移动功能是指z i h b 能够无遗漏的覆盖整个可到达的工作区域， 其运动轨迹一般是连续不间断的，运动方式主要分为直线和转弯运动。根据具体要求采 取路径跟踪控制或轨迹跟踪控制使机器人自主地前进、后退、转向和停止。z l m r o b 采 用三轮机构前轮为万向轮，仅起支撑作用，后两轮为驱动轮，这样设计的好处是：l 、 易于控制，只需控制两个驱动轮的速度即可实现机器人行走速度控制和转向：2 、转弯 非常灵活，可实现零半径转弯；3 、机器人的太部分重量均匀分布在两驱动轮上，小脚 轮承受的重量较小，这样惯性较小，在转弯时不容易发生打滑。 2 ) 良好的自动避障能力 自动避障能力是全区域覆盖移动机器人智能化的重要体现，与点对点移动机器人不 同，全区域覆盖移动机器人在实现避障功能的同时，还需要最大程度地实现全区域覆盖 这一基本功能，因此机器人需要采取充分接近障碍物的避障策略，在有效避开障碍物的 同时，尽可能多的覆盖障碍物的邻近区域。自主避障功能的实现取决于障碍物探测系统、 障碍物信息处理系统以及智能化的避障策略。z i m r o b 的障碍物探测系统主要由红外传 感器和声纳组成。由于本文的研究是针对基本区域的全区域覆盖问题，因此暂不使用 硕士论文全区域覆盖移动机器人导航中的误差分析与校正 z i m r o b 的自主避障功能。 3 ) 稳定的能源检测系统 采用高能蓄电池供电，机器人设有能源自动检测系统，当电量低于允许值时能自动 返回基站充电，充足后再自动返回继续作业。 4 ) 良好的安全性 通过红外传感器和声纳，z i m r o b 可以对突发障碍物发出避让语音提示，及时自动 停止运动。当有儿童或人处于危险区域时，机器人处于休眠待机状态。并设有密码防盗 功能，保证了在无人监控的状态下，独立作业的安全性。 5 ) 丰富的传感器和外围设备 z i m r o b 自带红外、声纳传感器、三维数字罗盘和全景摄像机。根据不同的研究需 要可扩展三维激光测距仪、双目视觉摄像机、带云台的摄象机等。并且装有无线网卡， 用于同外界通讯。图2 2 为z i m r o b 的系统框图。 控制系统动力系统 传感器系统 图2 2 全区域覆盖移动机器人z i m r o b 系统框图 2 2 基本区域的全区域覆盖导航系统 2 2 1 概述 全区域覆盖分为基本区域的全区域覆盖和一般区域的全区域覆盖。基本区域的全区 域覆盖无需考虑避障，实现简单。一般区域的全区域覆盖较为复杂，但很大程度上依托 1 3 2 全区域覆盖移动机器人导航系统的建立和误差源分析 硕士论文 于基本区域问题的研究。精确单元分解法是目前运用最广泛的一般区域路径规划算法之 一。其基本原理是以障碍物为边界，将空闲区域分解为一些互不重叠的单元，由于单元 中不包含任何障碍物，每个小单元都可以看作一个基本区域，机器人在每个基本区域内 可采用简单的往返运动实现单元覆盖。因此研究基本区域的全区域覆盖问题具有重要意 义，它是解决一般区域全区域覆盖问题的基础。由于本文的主要目的在于分析与校正全 区域覆盖移动机器人导航中的各类误差，不在于路径规划算法与避障技术的研究，因此 本文的导航系统将针对基本区域的全区域覆盖问题。 2 2 2 基本区域的全区域覆盖导航系统描述 从机械系统的角度，z i m r o b 可分为动力、控制、传感三个模块。为实现基本区 域的全区域覆盖，在不考虑避障的情况下，以动力和控制模块为基础，编码器和三维数 字罗盘作为传感模块，就构成了z i m r o b 的基本区域全区域覆盖导航系统，如图2 3 所 示。 i - ： 图2 3z i m r o b 全区域覆盖导航系统框图 下面对该导航系统作如下说明： 动力系统：z i m r o b 的动力系统，由驱动器、电机、减速箱、电池等组成。两个主 动轮安装在底箱后部，差速驱动。一个从动轮安装在箱底前部中间。启动z i m r o b 后， 驱动器驱动电机运转，并通过传动系统减速后使驱动轮转动。传动系统如图2 4 所示。 1 4 硕士论文全区域覆盖移动机器人导航中的误差分析与校正 电机二级行星齿轮减速器 同步齿形带机架驱动轮 图2 4z i m i 的b 传动系统示意图。 控制系统：z i m r o b 的控制系统由计算机和中部机箱两大部分构成，中部机箱内配 备了运动控制卡、a d 采集卡、声纳测距卡。机箱两侧面开孔，开关、按钮及接插口等 引出到机箱侧面。控制系统的作用主要分为两部分：1 ) 运动控制。上位机输出控制指 令，运动控制卡处理指令后，输出控制信号给电机驱动器，电机驱动器最终驱动电机运 动。运动控制卡输出三路信号，分别为p w m 信号，使能信号和方向信号，通过改变p w m 信号的占空比可以调节电机的转速。通过使能和方向信号，可以控制电机的转向。2 ) 处理传感器信息。针对该导航系统，控制系统主要处理两类传感器信息：1 、定时采样 编码器信号，计算电机转速，间接计算机器人的运动速度。通过比较预期速度和实际速 度的差别，调整控制指令，及时调节机器人的运动速度。2 、处理三维数字罗盘提供的 机器人位姿信号，与预期情况做比较后输出调整指令。 编码器与三维数字罗盘：编码器安装在电机轴上，用于测量电机的转速，间接获得 移动机器人的运动速度。并且通