基于光电鼠标的移动机器人室内定位方法

1、基于光电鼠标的移动机器人室内定位方法唐琎1 白涛2 蔡自兴11、中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙 4100832、Department of Electrical & Computer Engineering, Dalhousie Uiverisity, Halifax, Canada tel要: 介绍通常的定位方法和背景知识后，提出了使用光电鼠标来提高航迹推算法法精度的方法。仿真显示该方法比传统的航迹推算法法要好。关键词：移动机器人，定位，光电鼠标，传感器融合中图分类号：TP242.6 文献标识码：A1、前言(Introduction移动机器人在许多领域

2、扮演着重要角色，在其的应用过程中，最重要的是要让机器人随时知道自己位姿，否则不能完成其它工作1。因此，移动机器人的定位吸引了众多研究者的注意。移动机器人上的传感器进行工作时，获得的信息通常都有不确定性，不能完全描述外界环境1。移动机器人定位的难度之一也就是这种不确定性。因此，有必要融合来自各传感器的互补或者冗余数据，把不同传感器的信息转换为对机器人位姿的可靠估计。进行数据融合时需要首先收集传感器的原始数据，然后使用预先定义好的算法对数据进行处理，最后根据处理结果做出决策。本文提出的定位方法中就需要进行数据融合以改善定位结果。可以把定位方法分为两大类：即航迹推算法和三角测量法。三角测量定位法通过

3、解一组传感器位置与已知地标间几何关系的方程来确定位置1。这组方程通常是非线性的。航迹推算法是一种广泛应用的直接进行移动机器人定位的方式。它不依靠外部参照物，通常在驱动轮上安装旋转光电编码器，测量旋转角度，再利用机器人的机械特性计算出机器人离开出发点的距离和方位，从而得到机器人的位姿信息。在此过程中，累加是不可避免的。本文的方法本质上是航迹推算法，但它不依赖于机器人内部的机械特性。由此可见，从本质上来说航迹推算法是一个对较小的有误差的运动进行积分的过程。随着运动的持续进行，误差会越来越大。因此传统的航迹推算法只在有限的时间和距离内才较为精确。在实际应用中，传统的航迹推算法常常在移动10米后，误差

4、就不可接受了2。传统的航迹推算法的误差来源有多个，可以把这些误差分为两大类。1、系统误差：每一个运动周期都会发生的误差。导致系统误差的主要原因有：编码器的分辨率（空间或时间）、轮子直径的误差、测量基准的不准确、外部参考工具的不准确。系统误差相对来说较为容易建模和纠正。2、非系统误差：在移动过程中随机发生的误差。这包括：主动轮的打滑和反冲、由于负重变化而导致的轮子直径变化、路况。消除非系统误差需要更为复杂的模型3。为了更为准确地使用航迹推算法，研究人员提出了多个位姿误差的较为复杂的统计学模型3。尽管如此，效果并不显著。本文提出的利用光电鼠标进行机器人定位的方法能够有效地避免这些误差。_国家自然科

5、学基金重点项目（60234030）2、利用光电鼠标来定位移动机器人(Localize mobile robot with optic mouse在航迹推算法中为了防止误差累积到不可接受的地步，主要有两类方法：其一，让移动机器人不断从外界获取位置信息以更新航迹推算法的数据，这实际上是一种数据融合的过程；其二，使用精确的里程计，把每一步的误差都降至非常小，最后的累加误差也就不大了。本文提出使用光电鼠标为解决积累误差提供了一个新思路。这里的光电鼠标当然不是几年前的需要专用鼠标垫的传统光电鼠标。传统的光电鼠标实际上就是简单的把光机鼠标的光电管移到了外部，用带有刻线的反光板顶替了栅轮，而现在光电鼠标则在

6、结构上有本质的区别，可以将其称为“成像式光电鼠标”，以下的鼠标均指这种光电鼠标。光电鼠标的底部有一个发光的斜向透镜和一个深陷鼠标里的成像透镜。前一个透镜的作用是将透镜背后的高亮发光二极管的光予以聚焦，从而在鼠标下方的表面上形成强烈的照射光。后一个透镜的作用就是将鼠标下方的移动表面聚焦成像，然后使用一个微小的CMOS成像元件每秒钟扫描数千张分辨率可达800 DPI（dots per inch）的“图象”，实际上它就相当于一个小小的数码相机，作用是将透镜所成的像转变为电信号。这些电信号由光电鼠标中的运算速度极快的DSP（digital signal processor）进行处理，将先后“拍摄”的两

7、副“图象”进行对比，检测运动中图象模式的改变，从而得出鼠标移动的方向和距离。在鼠标内的另一个被称为SPI（接口系统）的芯片将DSP所计算出的鼠标移动方向与距离同鼠标按键的信号进行合成，然后调制成标准的USB或PS/2信号，传输给计算机，最后由操作系统根据这些信息在屏幕上显示和操作鼠标。光电鼠标挣脱了传统光电鼠标需要专用鼠标板的束缚，可在任何不反光的物体表面使用。由于通常的室内地面满足其使用条件，因此可以在移动机器人的底部（如：轮子附近）挨近地面的位置安装光电鼠标，安装在机器人上的计算机接收到鼠标传来的信息后，在其中提取出移动距离和方向，然后用于移动机器人的定位。粗看之下，光电鼠标的定位也与传统

8、的航迹推算法一样，需要进行累加计算，从而产生累积误差。且光电鼠标依靠两幅“图象”的差别来确定距离和方向，两幅“图象”中的模式的距离的误差可能会多达半个“象素点”，若两幅图象的距离并不大，则相对误差很大，累积后的误差就更加非常可观了。其实不然，因为这种辨识差别获得距离的过程是连续的。当第二幅“图象”与第一幅“图象”进行比较时，可能多了半个“象素点”，但当第二幅“图象”与第三幅“图象”进行比较时，就会少了半个“象素点”，累加结果会互相抵消而趋于精确，最后的定位结果类似于外部传感器测量路标一样直接精确地记录机器人的移动位置。其实如果轮子绝对不打滑，机器人的各个机械参数也可以非常准确地测得，轮子又很圆

9、，则传统的航迹推算法也会很准确，可惜这在传统的航迹推算法中是不可能的。光电鼠标不会因为轮子打滑和机械误差而导致定位误差，因而能够在众多情况下达到非常高的精度，其测量精度可达毫米量级，这对于移动机器人定位来说已是非常精确了。而且由于它的绝大部分计算由鼠标完成，因此它比传统的航迹推算法进行位置估计的计算量要小，可实现精准快速的定位。本文后面的仿真结果也显示了无论是取代航迹推算法还是做为辅助定位工具，光电鼠标均能很好地工作。不过光电鼠标也有局限，它的移动速度现在还不能超过0.7m/s，这是因为目前它每秒数千次扫描速度还是不够快，将来应该可以解决这个问题。此外当机器人经过地上的一条缝隙或者道路不平坦时

10、，光电鼠标可能给不出正确的移动距离，因为光电鼠标的另一个明显的弱点是当它离开依托平面一定距离（约10mm ）后就不能正常工作了，不过本文在后面将给出一个方法避免这种情况发生。因为光电鼠标上述优点且价格低廉，当利用它来进行移动机器人定位时，几乎能直接记录移动机器人的直角坐标位置，因而能在航迹推算法中消除大部分误差。机器人的机械参数误差和轮子打滑不再是难题。此外由于直接得到移动的直角坐标，因此也节省了机器人的部分计算量。使用光电鼠标来实现移动机器人定位可以有多种具体的方式，这里选取三种在两轮移动机器人上的简单设计，如图1所示。 (a (b (c 图1 移动机器人使用光电鼠标的示例(Sample o

11、f mobile robot with optic mice在设计a 中，当机器人在原地旋转时，光电鼠标可能得不到其正确的位姿，因为单个鼠标只能测量两个方向的移动距离，无法测量旋转角度。设计b 把两个鼠标都装在轮子上，此时可以测量机器人两个方向的移动距离和旋转角度。但此时若机器人经过一条地上的缝隙或者道路不平坦，以至于两个鼠标都不能工作时，就得不到正确的机器人位移。设计c 则通过三个鼠标互相检测其它鼠标的误差，因而能够较为有效地检测和消除这些误差，此时，每两个鼠标一组可以构成三条边，每条边一个中点，可以构成三个中心点，然后通过某种数据融合方法来获得机器人的精确位置。这样的数据融合方法很多，这里

12、不多做介绍。在设计c 中，当三个鼠标安装完毕后，各个鼠标的位置就固定且已知。在每一次测量中，挑选测量数据差别最小的两个鼠标所测得的值作为机器人位置的改变值，并用它们来修正另外一个鼠标的测量值。当该鼠标某次测量数据的偏差较大时，该数据就被丢弃而使用另外两个鼠标的测量数据，这样能防止误差进一步积累，提高测量和定位精度。图2所示即为利用三个鼠标进行移动机器人定位的仿真结果。其中的小圆圈为第一个鼠标的直接测量结果，虚线为已被另外两个鼠标的测量结果修正后的定位结果，实际上也就是三个鼠标融合后的定位结果。三个鼠标测量结果的误差均为高斯白噪声。 图2 三个鼠标的定位结果（The position measu

13、rement with three optic mice）从图2可以看出，通过三个鼠标互相修正，机器人在移动过程中即使遇到的地面裂缝也不会导致定位的误差。因为在室内环境中，裂缝一般不是很大，总有至少一个鼠标能准确记录移动距离。限于篇幅，没有把三个鼠标互相修正测量数据的仿真结果列出。3、光电鼠标与传统航迹推算法的比较(The comparison of optic mice and traditional dead reckoning光电鼠标是一种同时具备内部传感器和外部传感器特点的传感器。理由如下：1. 它不象内部传感器（如编码器）只关心机器人自己的内部构造和特征并测量内部的变量。它与外部世界

14、（地面）有直接联系。2. 尽管它与外部世界联系并直接记录机器人的运动，但它不象绝大多数外部传感器那样检测已知的参考地标或其它障碍。使用光电鼠标进行定位与传统的航迹推算法的详细比较如表1所示。表1 传统的航迹推算法和使用光电鼠标的比较(The Comparison of using optic mice andtraditional dead reckoning传统的航迹推算法 光电鼠标 检测过程累加 直接记录 初始位置要求已知 要求已知 路径曲率依赖 不依赖 速度限制无 有 误差传播依赖于前一次测量 依赖于前一次测量 机器人机械参数依赖 不依赖 轮子打滑影响测量 不影响测量 精度较低 很高 使

15、用范围室内和室外 室内4、结语(Conclusion本文介绍了机器人定位方式和光电鼠标，分析了航迹推算法的系统和非系统误差，提出了使用光电鼠标进行移动机器人定位的方法，对两种方法进行了比较。仿真结果表明光电鼠标的使用能够有效的提高移动机器人定位的精度。今后将进行具体的实验，以验证本文的结果。可以利用卡尔曼滤波在鼠标测量过程中滤去噪声，提高单个光电鼠标测量结果的精度。作者做了一些这方面的工作，限于篇幅，不再赘述。参考文献：1 Gregory Dudek, Michael Jenkin, “Computational principles of mobile robotics” M. Cambri

16、dge University Press, 20002 Daehee Kang, Ren C. Luo, Hideki Hashimoto, and Fumio Harashima, “Position estimation for mobile robot using sensor fusion” A, In the proceedings of the 1994 IEEE International Conference on Multisensor Fusion and Integration for Intelligent Systems (MFT94 C. Las Vegas, NV

17、., Oct.2-5, 1994, pp647-6523 Kok Seng Chong, Lindsay Kleeman, “Accurate odometry and error modelling for a mobile robot” A, in the proceedings of the 1997 IEEE International Conference on Robotics and Automation C. Albuquerque, New Mexico, April 1997, pp2783-2788A LOCALIZATION METHOD FOR MOBILE ROBO

18、T WITHOPTIC MICE IN INDOOR ENVIRONMENTTANG Jin1, BAI Tao 2, CAI Zi-xing 11, School of Information science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China2, Department of Electrical & Computer Engineering, Dalhousie Uiverisity, Halifax, Canada 电子发烧友 电子技术论坛 Abstract: The approach to localize mobile robot is studied. After the usually used method and background knowledge for localization are viewed, an innovative use of optical mice to improve relative localization method is introduced. Simulation shows it is better than