磁導航移動機器人里程檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

崔明月， 劉旭焱， 蔣華龍， 劉紅釗

(南陽師范學院物理與電子工程學院，河南 南陽 473061)

0 引言

近年來，自主輪式移動機器人由于其廣泛的應用前景而成為國際機器人學術界研究的熱點[1]。自主移動機器人的導航系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人自主移動的必要條件，而其導航需要解決“定位”、“運動目標”、“路徑規(guī)劃”[2]，其中定位是后兩者的前提和基礎。目前，常用的定位方法主要有里程定位法以及視覺系統(tǒng)，前者一般采用光電編碼器測量機器人里程;后者則采用視覺系統(tǒng)對場地中的位置進行全局定位[3]。由于土質(zhì)疏松、地面結(jié)冰、快速轉(zhuǎn)彎等因素的影響，會使機器人輪子產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，這種情況下里程計的編碼器信息變得很不可靠，從而產(chǎn)生里程測量誤差，這種誤差積累對機器人定位影響十分嚴重[4]，而視覺系統(tǒng)定位法只適用于機器人靜止狀態(tài)時定位，但在運動時很難及時、準確地反饋機器人在工作環(huán)境中的實際位置[5]。

磁導航是以磁條或磁道釘作為信號源，利用移動機器人所載的磁傳感器檢測磁條或磁道釘?shù)拇艌鲂畔?，確定機器人的位置以及實際位姿。磁導航具有較高的測量精度及良好的重復性，不易受天氣情況以及光線變化的影響，具有較高的可靠性和魯棒性[6-8]。射頻識別技術(Radio Frequency Identification，RFID)是一種非接觸式的自動識別技術，其原理是利用射頻方式進行非接觸雙向通信實現(xiàn)對物體的自動識別[9-12]。由于RFID具有非接觸、價格低廉、使用方便的優(yōu)點，在移動機器人定位中得到了廣泛應用[13-14]。

綜合磁導航系統(tǒng)與RFID定位技術的優(yōu)點，本文提出一種磁導航和RFID技術相結(jié)合的檢測輪式移動機器人里程方法，機器人每移動一段距離就通過RFID標簽對磁導航系統(tǒng)測得的里程進行校正，能夠在一定程度上解決機器人光電碼盤里程計誤差積累的問題。

1 硬件系統(tǒng)設計

整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。機器人的車頭與車尾各有一排磁傳感器，每排安裝8個，呈均勻分布，軸線與機器人前進方向相垂直;另外，RFID讀寫器安裝于機器人車體前端靠右的位置。

圖1 磁導航系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

磁條鋪設時，要保證磁條之間具有穩(wěn)定的無磁場區(qū)域，前后兩排磁傳感器組能夠準確、穩(wěn)定地檢測到此無磁場區(qū)域。數(shù)據(jù)采集卡將磁傳感器檢測到的位置信息通過RS232數(shù)據(jù)線傳給數(shù)據(jù)處理器，計算出當前的里程。由于本文提出的方法是通過記錄磁條之間的無磁場區(qū)域個數(shù)來計算里程，所以輪子打滑對記錄無磁場區(qū)域個數(shù)影響較小。

在里程計算過程中，所得里程數(shù)據(jù)的準確度會隨著積累誤差的增加而降低，所以需在機器人行進的路線上，相隔一定距離L安置RFID標簽來對當前里程進行校正，并在標簽中存入當前的里程基準值s0。當機器人讀取到RFID標簽內(nèi)的數(shù)據(jù)時，更新當前的里程基準值s0，然后將計數(shù)器清零重新記錄磁傳感器組檢測的無磁場區(qū)域次數(shù)。

1.1 磁傳感器安裝方式

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端由16個磁傳感器組成，磁傳感器距離地面的高度為H，同一排磁傳感器之間的間隔為c，如圖2所示。通過c以及H來保證同一排的8個磁傳感器至少有2個能探測到磁場，避免磁傳感器產(chǎn)生漏讀現(xiàn)象。

圖2 傳感器安裝示意圖

1.2 磁條鋪設方式

計算出長度為A的磁條的磁場空間范圍[15]，據(jù)此確定相鄰磁條之間的間隔W，以保證2個磁條之間有穩(wěn)定的無磁場區(qū)域，從而確保機器人在行進過程中能準確地獲取磁場空白區(qū)域的個數(shù)，磁條的鋪設方式如圖3所示。

圖3 磁條鋪設方式示意圖

1.3 RFID標簽安裝與預置

1.3.1 RFID 標簽安裝方式

RFID標簽位置分布如圖4所示。RFID標簽距磁條的垂直距離為L1，相鄰RFID標簽之間距離為L2。

圖4 RFID標簽安裝圖

1.3.2 RFID 標簽的預置

RFID標簽分為左轉(zhuǎn)彎標簽、右轉(zhuǎn)彎標簽和里程標簽。其中，左轉(zhuǎn)彎標簽和右轉(zhuǎn)彎標簽既提供轉(zhuǎn)彎信息又提供里程信息，里程標簽只提供當前的里程信息，如:里程標簽MMMMxxxx，左轉(zhuǎn)彎標簽LL01xxxx，右轉(zhuǎn)彎標簽 RR02xxxx，“MMMM”為里程標簽標志位;“LL01”為左轉(zhuǎn)彎標簽標志位;“RR02”為右轉(zhuǎn)彎標簽標志位;“xxxx”為當前的里程信息。一旦RFID讀寫器讀到標簽信息，數(shù)據(jù)處理器就對該信息進行解析以確定機器人的當前里程。

1.4 機器人轉(zhuǎn)彎信息的設置

機器人的轉(zhuǎn)彎方式有圓弧轉(zhuǎn)彎和原地轉(zhuǎn)彎兩種方式，其中圓弧轉(zhuǎn)彎方式對于一些空間狹小空間內(nèi)的輪式移動機器人非常困難[16]，因此本文采用原地轉(zhuǎn)彎的方式，原地轉(zhuǎn)彎方式不僅可以節(jié)約硬件成本而且能夠降低軟件編寫難度。為保證準確、及時地獲取轉(zhuǎn)彎信息以及機器人位姿，轉(zhuǎn)彎信息由彎標簽和磁條共同提供。具體地說，如果數(shù)據(jù)處理器接收到轉(zhuǎn)彎RFID標簽的轉(zhuǎn)彎信息同時又接收到前排磁傳感器組發(fā)送的信號，才能夠發(fā)送轉(zhuǎn)彎指令進行轉(zhuǎn)彎運動。轉(zhuǎn)彎處的磁條與FRID標簽安裝方式如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)彎標志設置圖

圖5中，b為機器人機車體寬度的1/2，能夠保證移動機器人原地轉(zhuǎn)彎1/4圓周后，機器人車體的中軸線剛好與鋪設了磁條的線路重合;k1、k2分別為機器人原地轉(zhuǎn)彎后，前后排磁傳感器組所處位置;a為k1處至轉(zhuǎn)彎前磁條中心線的距離。機器人完成轉(zhuǎn)彎之后，軟件系統(tǒng)要在轉(zhuǎn)彎之前的里程數(shù)據(jù)基礎上，再加上b和a的長度。

2 系統(tǒng)的軟件設計

2.1 軟件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)軟件由初始化模塊、RFID標簽數(shù)據(jù)采集模塊、RFID標簽數(shù)據(jù)處理模塊、磁導航系統(tǒng)里程計算模塊組成，在運行完各個軟件模塊之后，要停止讀取RFID標簽信息和磁傳感器信息一段時間t，防止多次檢測到同一個標簽和同一個位置的磁條間磁場空白區(qū)域，軟件流程如圖6所示。

2.2 初始化模塊軟件設計

磁導航系統(tǒng)啟動后，如果前后磁傳感器組檢測不到磁場，可使機器人前后短距離移動，直到前后排磁傳感器組都能檢測到磁場為止。然后啟動RFID讀寫器，同時將里程基準值s0、前后排磁傳感器組計數(shù)器N1、N2清零，初始化模塊軟件流程如圖7所示。

圖6 軟件系統(tǒng)圖

圖7 初始化模塊軟件流程圖

2.3 RFID標簽數(shù)據(jù)采集模塊

RFID標簽數(shù)據(jù)采集模塊軟件流程如圖8所示。RFID讀寫器啟動之后，對RFID讀寫器參數(shù)初始化，并將RFID數(shù)據(jù)端口與數(shù)據(jù)處理器連接，讀取RFID標簽信息，并將得到的RFID標簽信息傳送給RFID標簽數(shù)據(jù)處理模塊。

圖8 RFID標簽數(shù)據(jù)采集模塊軟件流程圖

2.4 RFID標簽數(shù)據(jù)處理模塊

RFID標簽數(shù)據(jù)處理模塊軟件流程如圖9所示。RFID讀寫器讀取到里程標簽或者轉(zhuǎn)彎標簽的數(shù)據(jù)信息后，數(shù)據(jù)處理模塊開始解析RFID標簽的數(shù)據(jù)信息，更新里程基準值s0，重新記錄前后排磁傳感器組檢測到的無磁場區(qū)域次數(shù)，并設置一個轉(zhuǎn)彎信號標志位TR，當標簽為里程標簽則TR置0，若為左轉(zhuǎn)彎標簽則置TR為01;為右轉(zhuǎn)彎標簽則置TR為02。

2.5 磁導航系統(tǒng)里程計算模塊軟件設計

2.5.1 移動機器人直線運動時的里程計算

圖9 RFID標簽數(shù)據(jù)處理模塊軟件流程圖

在機器人沿直線前行時，如果前排磁傳感器組沒有檢測到磁場，則前排磁傳感器組的計數(shù)器就加1，并記錄前排磁傳感器組檢測到無磁場區(qū)域次數(shù)N1;如果后排磁傳感器組沒能檢測到磁場，后排磁傳感器組的計數(shù)器就加1，并記錄后排磁傳感器組檢測到無磁場區(qū)域次數(shù)N2;如果后排磁傳感器組能檢測到磁場，則機器人繼續(xù)前進。以RFID標簽數(shù)據(jù)處理模塊所得的里程基準值s0為基礎，按下式計算當前里程s:

2.5.2 自主輪式移動機器人轉(zhuǎn)彎時的里程計算

機器人沿著鋪設了磁條的線路行進時，如果前排磁傳感器組檢測到磁場，則需進一步判斷是否有3個以上的磁傳感器檢測到了磁場，并且轉(zhuǎn)彎RFID標簽轉(zhuǎn)彎標志位TR是否為0，轉(zhuǎn)彎條件滿足，則機器人開始轉(zhuǎn)彎運動。以RFID標簽數(shù)據(jù)處理模塊所得的里程基準值s0為基礎，按下式計算轉(zhuǎn)彎之后的里程，

機器人里程計算模塊軟件流程如圖10所示。

3 系統(tǒng)性能測試

為驗證本文所設計里程檢測方法的有效性和可靠性，設計了如下實驗。實驗場地如圖11所示，機器人的前進速度為0.4 m/s;數(shù)據(jù)采集選用研華PCI-1723數(shù)據(jù)采集卡，采集數(shù)據(jù)的頻率為100 Hz;數(shù)據(jù)處理器選用研華ARK-5280型工控機;RFID讀寫器采用芯聯(lián)公司的M5e讀寫模塊和金屬型RFID標簽，數(shù)據(jù)讀取周期為20 ms;磁條磁場強度為0.36 T，規(guī)格為5 mm×5 mm×50 mm;磁傳感器間隔a設定為60 mm;磁條鋪設間距W為120 mm。為使機器人輪子容易打滑，在路面上放置薄冰塊與松軟河沙。

圖10 機器人里程計算模塊軟件流程圖

圖11 實驗場地示意圖

圖11 中，b1=40 m，b2=14 m，b3=30 m，b4=12 m，機器人里程的理論值可由下式計算:

式中:y為機器人位移;v為機器人前進速度;t為機器人運行時間;t1，t2，t3，t4，t5為機器人車輪的打滑時間。將里程理論值、本文方法實驗結(jié)果與光碼盤里程計測量結(jié)果進行比較，結(jié)果如圖12所示。

利用實驗所測得的數(shù)據(jù)通過下式計算光碼盤里程計、本文方法在各個時間段內(nèi)相對于理論值的平均相對誤差:

圖12 試結(jié)果對比圖

式中:δ為計時時間段內(nèi)的平均相對誤差;yi為1 s時間段內(nèi)的理論值;xi為1 s時間段內(nèi)光碼盤里程計測試結(jié)果。δ的計算結(jié)果如表2所示。

表2 本文實驗結(jié)果、光碼盤里程計結(jié)果相對理論值的δ

由圖12與表2中的實驗結(jié)果可以看出，本文所設計的基于磁導航與RFID技術的綜合里程測量方法，對克服傳統(tǒng)光碼盤里程計因輪子打滑以及積累誤差的增加而導致的準確度降低是有效的，也是切實可行的。

4 結(jié)語

本文通過磁導航系統(tǒng)與RFID技術相結(jié)合，提出了一種在磁導航輪式移動機器人上計算磁導航自主輪式機器人里程的新方法。該方法可用于磁導航自主輪式移動機器人在戶外場景下的里程計算，降低了其里程計算的軟硬件成本，能夠克服光碼盤里程計因輪子打滑、積累誤差的增加導致的準確度降低等缺陷。

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