基于光斑室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的定位導(dǎo)航技術(shù)

方青松 ，朱國(guó)魂 ，歐勇盛

（1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程及自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林541004；2.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳518055）

近年來(lái)，伴隨著家庭服務(wù)機(jī)器人的不斷發(fā)展，關(guān)于機(jī)器人的室內(nèi)定位與導(dǎo)航技術(shù)也越來(lái)越受大家重視。本文提出了基于光斑的定位導(dǎo)航技術(shù)的一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，在有限的空間內(nèi)具有強(qiáng)大的電子工具和良好的可操作性。且機(jī)器人能源效率高，不會(huì)在同一個(gè)地方來(lái)回重復(fù)移動(dòng)，保證了長(zhǎng)時(shí)間工作不需要充電。目的是使機(jī)器人便于商業(yè)化，使普通消費(fèi)者都能負(fù)擔(dān)得起。

室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的定位導(dǎo)航技術(shù)是室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在相關(guān)文獻(xiàn)和技術(shù)研究中，定位與導(dǎo)航技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化和完全自主移動(dòng)的關(guān)鍵。對(duì)定位與導(dǎo)航技術(shù)的研究，其目的在于使移動(dòng)機(jī)器人在無(wú)人干預(yù)的條件下沿規(guī)劃的任意路徑移動(dòng)并完成指定的任務(wù)。現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)器人常用的導(dǎo)航方法有慣性導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航、基于傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等以及它們的組合。如參考文獻(xiàn)[1]中提出了一種基于視覺(jué)的機(jī)器人室內(nèi)定位導(dǎo)航方法；參考文獻(xiàn)[2-3]提出了基于全景視覺(jué)的機(jī)器人自主定位方法；參考文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了機(jī)器人地板處理器的RFID導(dǎo)航系統(tǒng)。

上述技術(shù)方法同時(shí)也存在如下缺點(diǎn)：(1)基于安裝路標(biāo)的方法，路標(biāo)常常放置于地面上，容易被周圍過(guò)往的其他機(jī)器人所干擾，也容易人為損壞；(2)一些簡(jiǎn)單的路標(biāo)雖然圖像處理簡(jiǎn)單，但是不具備糾錯(cuò)性，而一些復(fù)雜路標(biāo)雖然具有完整數(shù)據(jù)糾錯(cuò)性，但是圖案過(guò)于復(fù)雜，運(yùn)算復(fù)雜度高，對(duì)攝像頭要求也較高，實(shí)時(shí)性差；(3)一些基于路標(biāo)的方法，只能沿已鋪設(shè)的路徑運(yùn)動(dòng)，路徑改變困難，不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的自主化，不容易擴(kuò)展到大環(huán)境下的機(jī)器人室內(nèi)定位導(dǎo)航；(4)基于攝像頭直接拍攝機(jī)器人進(jìn)行定位的方法，對(duì)攝像頭的安裝有較高要求，而且在不復(fù)雜背景情況下，要想實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的檢測(cè)通常較為麻煩；(5)直接采用激光或者超聲陣列的方法，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對(duì)過(guò)高。

本文描述的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人采用兩束紅外光打在天花板上產(chǎn)生的兩個(gè)光斑實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定位。此定位技術(shù)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行定位，定位誤差不積累，定位精度較高；且無(wú)需在地面上鋪設(shè)任何導(dǎo)航用標(biāo)識(shí)物，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境無(wú)特殊要求，路徑規(guī)劃靈活。該定位與導(dǎo)航技術(shù)對(duì)機(jī)器人本體的顏色、大小、形狀無(wú)特殊要求，對(duì)室內(nèi)地面色彩無(wú)特殊要求，具備定位算法簡(jiǎn)單、運(yùn)算復(fù)雜度小、定位準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于掃地、監(jiān)控、娛樂(lè)等家庭服務(wù)。

1 室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人

1.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)

如圖1所示，室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人采用傳統(tǒng)的兩輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，包括車體、兩個(gè)車輪（帶電機(jī)）、一個(gè)萬(wàn)向輪、小型驅(qū)動(dòng)控制板、一個(gè)紅外激光發(fā)射器、一個(gè)超聲波探測(cè)器、紅外接收器、無(wú)線串口通信模塊、供電模塊。其中，紅外激光發(fā)射器外部裝一個(gè)特制分光罩，如圖2所示，分光罩可以射出兩束光并在天花板上產(chǎn)生兩個(gè)光斑，而這兩個(gè)光斑是肉眼看不見(jiàn)的。

1.2 充電站結(jié)構(gòu)

充電站由機(jī)械本體、導(dǎo)電線、紅外發(fā)射器、紅外攝像頭、小型計(jì)算機(jī)構(gòu)成。充電站安裝于房間中間或一角，接通220 V家用電源。其中，紅外攝像頭采用普通CMOS廣角攝像頭外加紅外濾波片構(gòu)成；紅外攝像頭以能拍攝到大部分天花板的角度安放，鏡頭通過(guò)畸變校正，使得拍攝圖像點(diǎn)位置與實(shí)際空間點(diǎn)位置呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系；通過(guò)調(diào)整濾光片的厚度，配合閾值分割算法，來(lái)確定紅外激光的反射斑點(diǎn)的位置；主機(jī)系統(tǒng)用于運(yùn)行機(jī)器人定位、導(dǎo)航程序，通過(guò)無(wú)線串口模塊向機(jī)器人發(fā)送控制命令。

2 定位方法

機(jī)器人在室內(nèi)移動(dòng)時(shí)，發(fā)射的激光將在天花板形成兩個(gè)反射光斑。位于充電站的固定紅外攝像頭拍攝到天花板畫面，通過(guò)設(shè)置灰度閾值進(jìn)行分割，提取出兩個(gè)反射光斑的位置[5-7]，如圖3所示。

兩個(gè)光斑的圖像坐標(biāo)為(x1，y1)、(x2，y2)，依照投影公式：Q=M-1q，其中：

得到光斑在天花板的實(shí)際位置(X1，Y1)、(X2，Y2)。 上面公式中，q表示圖像點(diǎn)的坐標(biāo)，Q表示空間點(diǎn)坐標(biāo)，M為攝像頭參數(shù)矩陣。

在這里，由于小車上的激光發(fā)射裝置垂直安裝，光斑在天花板的實(shí)際位置和小車在室內(nèi)的位置直接對(duì)應(yīng)。機(jī)器人在室內(nèi)的實(shí)際坐標(biāo)位置(X，Y)可用(X1，Y1)、(X2，Y2)的中點(diǎn)表示：

設(shè)上一幀圖像檢測(cè)得到機(jī)器人在室內(nèi)的實(shí)際坐標(biāo)位置為(X′，Y′)，則機(jī)器人在兩幀之間運(yùn)動(dòng)的方向角α為：

由于激光發(fā)射器是對(duì)稱安裝于機(jī)器人左右兩側(cè)的，機(jī)器人當(dāng)時(shí)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向與(X1，Y1)、(X2，Y2)的連接線方向垂直，為：

依照機(jī)器人在兩幀之間運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，機(jī)器人當(dāng)前時(shí)刻實(shí)際的運(yùn)動(dòng)方向角θ取與α夾角小于90°的那個(gè)方向，如圖4所示。

機(jī)器人當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的速度V與旋轉(zhuǎn)的角速度ω分別近似為：

其中，t為兩幀的時(shí)間差，θ′為上一幀檢測(cè)到的實(shí)際方向角。

3 導(dǎo)航控制

機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，通過(guò)單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)電力狀態(tài)。當(dāng)電力不足時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)始控制機(jī)器人回到充電站進(jìn)行充電。設(shè)充電站坐標(biāo)為(X0，Y0)，則機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向θ與到充電站的方向β的夾角e為：

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向角θ、充電站方向角β與目標(biāo)角e的示意圖如圖5所示。

機(jī)器人采用圖6所示流程躲避障礙物，并回到充電站。其中，控制機(jī)器人向充電站移動(dòng)時(shí)，采用如下的控制方法，以減小偏角e且保持一定運(yùn)動(dòng)速度為控制目標(biāo)，由PID控制算法，得到機(jī)器人的兩輪的控制目標(biāo)速度VL和VR：

其中，P、D、I分別為比例、微分、積分控制參數(shù)，可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)；w表示控制量；k為轉(zhuǎn)換系數(shù)，由小車的輪距、輪半徑等決定；V0為小車的基準(zhǔn)速度，在距離充電站較遠(yuǎn)的位置V0可以較大，在距離充電站較近的位置V0可以適當(dāng)減小，從而實(shí)現(xiàn)與充電站平穩(wěn)接觸，保持連接，進(jìn)行充電。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期要求，如圖7所示。通過(guò)紅外攝像頭捕捉，可以獲取機(jī)器人打在天花板上的兩個(gè)光斑，通過(guò)紅外攝像頭附近的計(jì)算機(jī)，并進(jìn)行圖像灰度轉(zhuǎn)化，執(zhí)行圖像分割，除去除了紅外光斑之外的所有其他東西，可以容易地知道機(jī)器人的位置和運(yùn)動(dòng)方向。在電腦中顯示了兩光斑的位置和運(yùn)動(dòng)方向。

本文將機(jī)器人原有的兩個(gè)紅外發(fā)射器改成了一個(gè)發(fā)射器，并達(dá)到了基于光斑室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人定位與導(dǎo)航技術(shù)的要求，這不僅節(jié)約能源而且降低了成本。本設(shè)計(jì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于光斑的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的定位與導(dǎo)航技術(shù)是可行的，雖然尚不完善有待改進(jìn)，但完成了設(shè)計(jì)的基本任務(wù)要求，也為以后針對(duì)室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的定位與導(dǎo)航研究提出了一個(gè)新的方向，為室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的普及應(yīng)用開(kāi)辟了前景。

[1]章小兵，宋愛(ài)國(guó)，唐鴻儒.基于視覺(jué)的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人精確定位方法[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2007，22(2)：196-200.

[2]陸軍，穆海軍，朱齊丹，等.全景視覺(jué)在機(jī)器人自主定位中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，27(7)：1677-1679.

[3]Chen Jinwu，Wen Shangtai.Location estimation for indoor autonomous vehicle navigation by omni-directional vision using circular landmarks on ceilings[J].Robotics and Autonomous System，2009，57(5)：546-555.

[4]S.C.約翰遜父子公司.用于機(jī)器人地板處理器的RFID導(dǎo)航系統(tǒng)[P].中國(guó)專利：101243367A.2006.6.27.

[5]天津理工大學(xué).基于單個(gè)路標(biāo)的視覺(jué)定位與導(dǎo)航方法[P].中國(guó)專利：101660908A.2009.9.11.

[6]西安理工大學(xué).一種室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)[P].中國(guó)專利：201659565 U.2010.03.25.

[7]王志文，郭戈.移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].機(jī)器人，2003(9)：470-474.

[8]鄭睿，原魁，李園.一種用于移動(dòng)機(jī)器人室內(nèi)定位與導(dǎo)航的二維碼[J].高技術(shù)通訊，2008(4)：369-376.