基于 PSD的觸須傳感器及在移動機(jī)器人中的應(yīng)用

任冠佼 陳偉海 陳 斌 王建華

(北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

基于 PSD的觸須傳感器及在移動機(jī)器人中的應(yīng)用

任冠佼 陳偉海 陳 斌 王建華

(北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

針對視覺傳感器無法解決的移動機(jī)器人的全天候避障問題,設(shè)計了一種觸覺傳感系統(tǒng).利用位置敏感探測器(PSD,Position Sensitive Detector)作為觸須根部的檢測元件,設(shè)計了一種機(jī)械結(jié)構(gòu),利用一個直接連接在觸須根部并側(cè)向出射激光的激光器,解決了觸須安裝困難以及安裝誤差對測量精度影響較大的問題;提出了兩種全新的檢測機(jī)器人本體與墻體之間夾角的方法,可實現(xiàn)機(jī)器人近墻行走,對兩種方法的優(yōu)劣進(jìn)行了比較,最后通過實驗證明了此兩種方法的可行性,并對測量產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了分析.

移動機(jī)器人;接近覺傳感器;避障

人類感知外界信息的主要手段有視覺、聽覺、嗅覺、味覺與觸覺,目前移動機(jī)器人感知外界信息主要是模仿人類視覺原理.但人們對仿生機(jī)器人在不確定環(huán)境下的工作成效提出了越來越高的要求,如要求機(jī)器人能夠在能見度低甚至無可見光的條件下進(jìn)行安全導(dǎo)航、避障以及檢測狹小空間等,如此以來,單純依靠視覺傳感器已經(jīng)無法滿足要求,因此,觸覺傳感器作為視覺傳感器的補(bǔ)充應(yīng)運而生.

國外學(xué)者對觸覺傳感器展開了大量研究.文獻(xiàn)[1]設(shè)計出一種剛性觸須探針,利用根部電位計測量觸須末端接觸信息,實驗證明該傳感器能夠感知出外凸物體的輪廓信息,但這種電位計測量感知并不靈敏.文獻(xiàn)[2]提到的初期的 Sprawlettes機(jī)器人和后期的六足機(jī)器人可以依靠一只長而粗的觸角進(jìn)行墻的探測,以及近墻疾走,但觸須與墻體之間的角度信息只是靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)所得,未給出理論依據(jù).文獻(xiàn)[3]實現(xiàn)了物體輪廓信息的測量,但仍采用掃描方式,速度較慢.國內(nèi)對觸覺傳感器的研究較晚,文獻(xiàn)[4]討論了類似蝸牛觸角的工程觸須傳感器,可感知障礙物臨近,但必須依靠觸須伸縮實現(xiàn),速度較慢.文獻(xiàn)[5-7]對觸須傳感器進(jìn)行了大量研究,提出了基于位置敏感探測器(PSD,Position Sensitive Detector)的觸須傳感系統(tǒng),測量速度與精度有了很大提升,依靠此系統(tǒng)進(jìn)行了測量物體外形、物體表面紋理信息以及利用觸須沿墻行走的研究,但避障實驗仍主要依靠經(jīng)驗公式,未能明確給出理論推導(dǎo).

綜上,目前觸須的研究主要集中在以下 3個方面:①障礙物外形輪廓檢測[8];②物體紋理信息檢測;③機(jī)器人實現(xiàn)近墻快速行走[9].前兩者如需實現(xiàn)一般依靠觸須末端安裝微型驅(qū)動電機(jī),讓觸須對物體進(jìn)行掃描,得出信息,速度較慢,而如果實現(xiàn)機(jī)器人近墻快速行走只需觸須被動感知外界信息即可.本文針對第③點展開研究.

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外學(xué)者利用移動機(jī)器人實現(xiàn)近墻行走時,發(fā)現(xiàn)機(jī)器人與墻體之間的夾角與觸須傳感器末端位移量存在一定關(guān)系,利用此關(guān)系可實現(xiàn)移動機(jī)器人的成功避障,但均未搞清楚避障的具體原理.本文就如何利用觸覺信息進(jìn)行避障展開研究,揭示了觸須末端移動量與墻體之間夾角存在何種關(guān)系,并提出了利用這種關(guān)系讓機(jī)器人實現(xiàn)成功避障的一種全新方法.首先,在詳細(xì)分析了文獻(xiàn)[5-7]觸須結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,利用二維 PSD設(shè)計了一種新型的觸須結(jié)構(gòu),能夠使測量精度提高,同時誤差減小;其次,提出了兩種利用觸須進(jìn)行近墻行走的全新方法,可測量機(jī)器人本體與墻之間的夾角;最后,針對提出的新方法進(jìn)行了避障實驗,測量機(jī)體與墻之間的夾角.實驗證明本文提出的方法是可行的,有進(jìn)一步研究的價值,用其進(jìn)行避障是可行的.

1 觸須傳感器設(shè)計

1.1 二維 PSD原理

PSD是將光子轉(zhuǎn)化為電子的元件,可用來探測光斑重心在光敏面上的絕對位置,落在 PSD上的入射光轉(zhuǎn)換成電子后由電極探測形成電流.如圖 1所示,二維 PSD有 4個探針 X1,X2,Y1,Y2用以輸出電流,以及 1個公共引腳 VR用來輸入正向電壓.光斑重心在光敏面上的位置坐標(biāo)可以由以下公式得到:式中,D為光敏面邊長,由于本文選用的 PSD光敏面是15mm×15mm,因此 D為 15.本文選用的PSD型號為 HY1515,分辨率可達(dá) 1μm,響應(yīng)時間0.8μs,光譜響應(yīng)范圍 380～1100nm,為測量觸須末端偏移量提供了很好的精度和靈敏度保證.

圖1 二維PSD

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù) PSD的原理,在實際應(yīng)用中,本文需要通過 PSD的輸出值得到觸須末端的位移量,從而獲得機(jī)器人碰到障礙物的信息,因此如何安裝PSD和觸須是個重要的問題.對此,文獻(xiàn)[10]提出一種思路:傳感器的觸須采用了彈性材料制成的細(xì)桿(長度 15～20 cm),在長度上由粗到細(xì)以提高靈敏度.在接近觸須根部的位置(2～3mm),固連一個輕質(zhì)的遮光片,在遮光片正對光源中心的位置上開了一個直徑為 0.8～1.0mm的透光小孔,作為二維 PSD(3cm×3cm)的檢測光源.當(dāng)觸須受力移動時,遮光片在觸須帶動下運動,因此透過遮光片上的小孔照射在 PSD上的光斑產(chǎn)生位移,通過調(diào)理電路就能得到光斑在 PSD上的位置,再經(jīng)過相應(yīng)的關(guān)系式,就能知道末端觸須的位移量.

作者仿照這種方案自制了一套觸須系統(tǒng),在安裝調(diào)試過程中,發(fā)現(xiàn)了幾個重要問題:①連接遮光片和觸須時,實際中很難操作,精度也很低;②如果用彈性元件,加工和連接也是一個很難解決的問題,成本大且精度低,而如果不使用彈性元件,遮光片的移動量就會很小,從而導(dǎo)致 PSD上的光斑移動量也很小,降低了測量精度.針對以上問題,本文提出一種新的結(jié)構(gòu),如圖 2所示.

本文采用激光源直接照射 PSD,當(dāng)觸須移動時會直接帶動激光源移動.這種結(jié)構(gòu)省去了遮光板,在加工和裝配時都可以做到操作簡單且精度高.采用這種結(jié)構(gòu)的另外一個顯著優(yōu)點是:當(dāng)觸須末端受力發(fā)生移動時,激光源偏轉(zhuǎn),由于激光源與PSD之間間隔一定距離,PSD上的光斑偏轉(zhuǎn)量會產(chǎn)生幾何放大作用,增大了采集精度,減小了測量誤差.

圖2 新研制的觸須傳感器系統(tǒng)

如何根據(jù) PSD上讀取的光斑位置得到觸須末端的位移量成為本文接下來要完成的工作.

本文把觸須處理為懸臂梁,如圖 3所示.

圖3 觸須受力形變分析

當(dāng)有力 F作用于觸須末端點時,忽略梁在軸向的位移,梁末端的形變量(即撓度)為 W,則在激光放置的 x處的撓度 Wx和轉(zhuǎn)角 θx分別為

式中,L為梁的長度;x為激光源和根部之間的距離;E為梁的彈性模量;I為梁的慣性矩[11].但是在實際使用時,并不用得到力 F的大小,只需知道末端位移量 W.因此必須找到梁末端位移和PSD上的光斑移動量之間直接的關(guān)系.

又因為:

將式(4)分別帶入式(2)、式(3)可以得到:

所以當(dāng)觸須末端如圖 3所示運動時,光斑在PSD上的位置 dx滿足:

當(dāng)觸須反方向運動時,光斑在 PSD上的位置為

在實際使用中,觸須的長度 L相對于激光源的安裝位置 x很大,所以 Wx和 θx都很小,故可以近似處理成:

所以

由式(10)可知,當(dāng) x和 L取定后,PSD上光斑的位置和末端位移量成線性關(guān)系.

2 利用觸須傳感器實現(xiàn)近墻行走

根據(jù)上述傳感器系統(tǒng),本文用其來實現(xiàn)近墻行走功能.當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)時,如果碰到墻體,就能根據(jù)傳感器反饋回來的觸須末端位移量和機(jī)體前進(jìn)量得到機(jī)體與墻體之間的夾角,本文采用一維激光測距儀測量機(jī)器人本體與墻面之間的距離,兩次測得的距離相減就是機(jī)體前進(jìn)量.如圖 4所示,觸須碰墻后,彎曲到 B點,傳感器檢測到的觸須末端位移量為 d,機(jī)體前進(jìn)量為 S.

圖4 機(jī)器人沿墻行走示意圖

為得到機(jī)器人本體與墻面之間的夾角 θ,本文考慮了兩種方法.

方法 1 θ與 d,S的關(guān)系滿足:

這種檢測方法的優(yōu)點是簡單,經(jīng)過本文多次實驗得出數(shù)據(jù)可知,當(dāng)角度較小時,比較準(zhǔn)確,但是當(dāng)機(jī)體與墻面之間角度增大后,誤差較大,當(dāng)機(jī)器人與墻面之間夾角為 75°時,讀出的角度大約為 62°,誤差約 13°.經(jīng)過分析,本文認(rèn)為這是由于在傳感器標(biāo)定的時候,忽略了觸須在軸向的變形,所以當(dāng)觸須移動到 B點時,本文最初是把它標(biāo)定到了 C點,所以 d的實際值是 CD,而不是 AD,即實際算出的是角度 α,所以在實際使用中當(dāng) θ較小時,α≈θ,而當(dāng) θ較大時就出現(xiàn)了較大的誤差.

針對上述缺陷,本文提出 4種改進(jìn)方案:

1)在標(biāo)定時,要考慮觸須在軸向的移動量,即如圖 4所示的情況時,得到的值應(yīng)該是長度,而不是.本文要讀出實際值.

2)在實際測量機(jī)體與墻體的角度時,如果能在 S很小時,就得到觸須末端位移量 d,這時可以忽略觸須在軸向的位移量,即 A點和 B點之間的距離很小,因此算出的角度 α也是和實際角度 θ比較接近,誤差很小.

3)加長觸須的長度,當(dāng)觸須長度達(dá)到一定值時,就可以忽略觸須在軸向的位移量,精度也就能得到提高.

4)因為當(dāng)機(jī)體與墻體之間的夾角較小(小于30°)時,測得的角度還是很準(zhǔn)確的,所以在機(jī)器人實際使用傳感器來避障時,可以考慮讓機(jī)體轉(zhuǎn)兩次角,這樣也能達(dá)到避障的目的.

綜合考慮后,本文選擇了改進(jìn)方案 1),提出方法2.

方法 2 在標(biāo)定時就測量觸須移動到的實際值,考慮觸須在軸向的移動量,在實際測量機(jī)體碰到墻后的末端位移量時,

這里近似認(rèn)為△BFD為等腰三角形,頂角 β滿足:

因此,在機(jī)體實際運行過程中,就可以由機(jī)體前進(jìn)量 S和末端位移量 d得到機(jī)體與墻體的夾角θ.

3 實驗研究

由于本實驗不需要機(jī)器人自主行走,本文采用一塊泡沫塑料模擬機(jī)器人本體,將觸須傳感器系統(tǒng)安裝在前端,同時在頭部安裝紅外測距儀.然后,作者在墻邊以 15°為間隔畫出放射狀直線,讓機(jī)器人沿直線向墻行走,則觸須接觸墻時必然產(chǎn)生形變,如圖 5所示.在 MATLAB中以機(jī)器人本體向前給進(jìn)量 S為橫軸,以末端移動量 d為縱軸,畫出曲線,如圖 6所示.

由圖 6可知,d與 S的比值 K=d/S顯然與機(jī)器人和墻之間的夾角 θ之間有相應(yīng)關(guān)系.本文首先用第 2節(jié)中方法 1驗證,tanθ=d/S計算出的角度滿足表 1.

圖5 機(jī)器人近墻行走實驗

圖6 觸須末端偏移量與機(jī)體前進(jìn)量之間關(guān)系

表 1 方法 1測量出的機(jī)體與墻之間的夾角 (°)

由表 1可知,當(dāng)機(jī)體與墻之間的夾角為 30°左右或者更小時,此種方法計算誤差較小,還是比較切實可行的,但當(dāng)夾角為 75°時,誤差已經(jīng)較大.不過此種方法在精度要求不高的情況下也是可行的,例如當(dāng)機(jī)器人與前面有 60°夾角時,機(jī)器人認(rèn)為夾角為 51°,此時轉(zhuǎn)角 51°,繼續(xù)往前行走,必然再次撞墻,這時與墻的夾角只有 9°,可以精確測量,經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)彎就可避開墻而不碰撞.

但為了提高避障的成功率與速度,算法可采用方法 2,實時計算出的理論值與實際值見表 2.

表 2 方法 2測量出的機(jī)體與墻之間的夾角 (°)

可見,方法 2測出的機(jī)體與墻之間的夾角與實際值已經(jīng)相當(dāng)接近.經(jīng)過分析,作者認(rèn)為誤差的來源主要有以下幾個方面:

1)建模的時候是將觸須處理為一個懸臂梁,懸臂梁只有在撓度很小的情況下才可按照 1.2節(jié)的方法分析,而在實際情況中,觸須很可能偏轉(zhuǎn)角度較大,產(chǎn)生非線性.

2)機(jī)械安裝存在誤差,激光源與觸須安裝若不垂直或者激光源與底座不平行都可能導(dǎo)致激光射在 PSD上的光斑偏移.

3)標(biāo)定時地面的放射性直線角度是作者手畫出來的,精度無法保證.

因此在后續(xù)工作中,具體的機(jī)械安裝方式還需要進(jìn)一步改進(jìn)從而提高精度,另外標(biāo)定方法需要進(jìn)一步改進(jìn),可采用角度或角速度傳感器讀出機(jī)器人精確的偏轉(zhuǎn)角度.

從實驗結(jié)果可以得出結(jié)論,在機(jī)器人近墻行走時,只要知道觸須末端的移動量和從接觸墻開始的那刻機(jī)器人又向前行走的距離,就可以計算出機(jī)器人機(jī)體與墻面之間的夾角.此夾角可為機(jī)器人后續(xù)的避障提供重要信息.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一套觸須傳感器系統(tǒng),利用 PSD設(shè)計了一種新型的觸須結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上,本文提出了機(jī)器人沿墻行走時,測量機(jī)器人本體與墻面之間夾角的兩種算法,實驗證明兩種算法都是可行的,但是方法 2比方法 1有明顯優(yōu)勢.即本文已經(jīng)可以測量機(jī)器人本體與墻體之間的夾角,這個數(shù)據(jù)可以直接發(fā)送給上位機(jī)產(chǎn)生導(dǎo)航與避障信息,具有重要價值.

今后可在此觸須系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu),增加加工精度,為避障提供更可靠的依據(jù).另外如何用這個夾角信息對機(jī)器人行走產(chǎn)生控制,也是作者未來的研究方向.

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(編 輯 :李 晶)

Antenna sensor based on PSD and application m obile robot

Ren Guanjiao Chen Weihai Chen Bin Wang Jianhua

(School of Automation Science and Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

In the environ ment with limited light,robot'sobstacle avoidance could not be realized if the vision sensor was used only.In order to deal with the problem,an antenna sensor system was designed.Position sensitive detector(PSD)was used as the sensing instrument and a laser pointer was attached to the antenna end,from which the laser was shot out to the other side.Following this approach,a new antenna mechanical structure was proposed to make the installation simple and to reduce the assembly error.Two new methods were proposed to detect the angle between the body and the wall.Advantages and disadvantages of the two methods were discussed.The robot could walk along the wall by the two methods and the effectiveness was experimentally demonstrated.What caused the error was analyzed at last.

mobile robots;proximity sensors;obstacle avoidance

TP 242

A

1001-5965(2010)05-0601-05

2009-06-15

國家 863計劃資助項目(2008AA 04Z210);國家自然科學(xué)基金資助項目(60775059);北京市自然科學(xué)基金資助項目(3093021)

任冠佼(1987-),男,河南商丘人,博士生,sqrgj831@sohu.com.