基于Origin的移動(dòng)機(jī)器人測(cè)距傳感器參數(shù)標(biāo)定

紀(jì)海賓　師彩云

摘? 要：以移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡控制作為研究對(duì)象，針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人紅外傳感器測(cè)距要求，提出了一種基于Origin軟件的紅外測(cè)距傳感器參數(shù)標(biāo)定方法，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到該紅外測(cè)距傳感器的有效測(cè)距范圍及其轉(zhuǎn)換公式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法能夠較好地對(duì)移動(dòng)機(jī)器人紅外測(cè)距傳感器進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)具有快速便捷的優(yōu)點(diǎn)，為移動(dòng)機(jī)器人測(cè)距提供了可靠的數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人;紅外測(cè)距傳感器;擬合;Origin;參數(shù)標(biāo)定

中圖分類號(hào)：TP249;O344 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）09-0040-04

Parameter Calibration of Ranging Sensor of Mobile Robot Based on Origin

JI Haibin1，SHI Caiyun2

（1.School of Mechatronic Engineering，Xuzhou College of Industrial Technology，Xuzhou? 221140，China;

2.School of Biological Equipment，Xuzhou Vocational College of Bioengineering，Xuzhou? 221006，China）

Abstract：This paper takes the motion trajectory control of mobile robot as the research object. A method for calibrating infrared ranging sensor parameters based on Origin software is proposed for mobile robot infrared sensor ranging requirements. Through data processing，the effective range of the infrared ranging sensor and its conversion formula are obtained. Experimental results show that this method can calibrate the infrared ranging sensor of mobile robot well，and it has the advantages of fast and convenient，which provides reliable data reference for the ranging of mobile robot.

Keywords：mobile robot;infrared ranging sensor;fitting;Origin;parameter calibration

0? 引? 言

移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域，其能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)避障，進(jìn)行自主導(dǎo)航，是集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策和導(dǎo)航于一體的多功能綜合系統(tǒng)[1]，在國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、搶險(xiǎn)、服務(wù)等領(lǐng)域中都具備著人類所無(wú)法比擬的巨大優(yōu)勢(shì)[2]。

避障是指移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)采集的障礙物的狀態(tài)信息，在行走過(guò)程中通過(guò)傳感器感知到妨礙其通行的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)物體時(shí)，按照一定的方法進(jìn)行有效的避障，最后到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。因此，自主移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡控制至關(guān)重要，也是一個(gè)非常實(shí)際的問(wèn)題[3]。Mahgoub等人針對(duì)路徑跟蹤問(wèn)題，提出了一種以線速度和角速度作為控制輸入的新的控制律[4]，李林琛等人結(jié)合PID（比例（proportion）、積分（integral）、微分（derivative））控制的自適應(yīng)能力和遺傳算法優(yōu)化能力，采用遺傳PID算法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤[5]。另外，實(shí)現(xiàn)避障需要通過(guò)傳感器獲取周圍環(huán)境信息，因此傳感器技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人避障中起著十分重要的作用。避障使用的傳感器主要有超聲傳感器、視覺傳感器、紅外傳感器、激光傳感器等。王雪彥利用多種傳感器感知環(huán)境數(shù)據(jù)，與ANFIS（自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)）避障算法相結(jié)合，提出了一種基于環(huán)境類型感知的新型機(jī)器人避障算法，達(dá)到基于環(huán)境類型的避障行走目的[6];衛(wèi)恒等人提出了基于超寬帶測(cè)距的異構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多種軌跡跟蹤控制算法，并在MATLAB和Gazebo仿真軟件中分別進(jìn)行了驗(yàn)證[7];王志遠(yuǎn)等人提出了基于雙目視覺的移動(dòng)機(jī)器人測(cè)距與定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，提高了系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性[8]。綜上所述，大多數(shù)學(xué)者僅限于利用不同的傳感器研究移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡算法來(lái)提高運(yùn)動(dòng)軌跡的精確性，但針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人紅外感知測(cè)距要求和對(duì)紅外測(cè)距傳感器在使用前進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定的研究比較匱乏。本文基于徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)科學(xué)技術(shù)資助項(xiàng)目，針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人紅外傳感器測(cè)距要求，對(duì)測(cè)距傳感器標(biāo)定方法進(jìn)行了研究，提出了基于Origin軟件擬合的紅外傳感器參數(shù)標(biāo)定方法，并借助擬合生成的轉(zhuǎn)換公式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換。

1? 實(shí)驗(yàn)環(huán)境簡(jiǎn)介

本文使用QBot作為實(shí)驗(yàn)載體，如圖1所示，它作為一款成熟的移動(dòng)機(jī)器人開發(fā)研究平臺(tái)，不僅有完善的硬件支持，同時(shí)也提供了良好的軟件接口支持，配套了一系列的Simulink模塊，這些模塊封裝了QBot底層驅(qū)動(dòng)、軟硬件初始化等功能，用戶可以很方便地借助這些模塊搭建仿真模型，降低了開發(fā)難度，提高了研究效率。QBot共搭載了四種用于感受外部環(huán)境的傳感器：五個(gè)紅外測(cè)距傳感器、三個(gè)超聲波測(cè)距傳感器、一個(gè)攝像頭以及三個(gè)碰撞傳感器，本文主要將它的紅外測(cè)距傳感器作為研究對(duì)象。該紅外測(cè)距傳感器型號(hào)為SHARP 2Y0A02，如圖2所示，它具有紅外線發(fā)射和紅外線檢測(cè)兩個(gè)端口，紅外線經(jīng)發(fā)射端向前方成固定角度和方向發(fā)射，當(dāng)光束遇到障礙物后會(huì)部分反射回來(lái)，此時(shí)紅外線檢測(cè)端將捕獲到該反射光束，再利用三角測(cè)量原理便可計(jì)算出距離。

Origin是OriginLab公司開發(fā)的一款集科學(xué)繪圖和數(shù)據(jù)分析于一體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軟件，它不僅可以支持各種各樣的2D/3D圖形繪制，還支持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、信號(hào)處理、曲線擬合及峰值分析等功能。該軟件以其操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[9]。本文借助該軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能來(lái)進(jìn)行紅外測(cè)距傳感器的數(shù)據(jù)處理、擬合曲線，以便得到電壓距離的轉(zhuǎn)換公式。

2? 基于Origin的紅外傳感器參數(shù)標(biāo)定

根據(jù)SHARP 2Y0A02傳感器的技術(shù)文檔可知，該型紅外距離傳感器的輸出曲線是非線性的，且每個(gè)傳感器的輸出曲線都不一樣，其典型輸出曲線如圖3所示。因此在實(shí)際使用前，需要對(duì)該型傳感器進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，才能得到真實(shí)有效的測(cè)量數(shù)據(jù)。

QBot上一共搭載五個(gè)SHARP 2Y0A02型紅外測(cè)距傳感器，本文以其中一個(gè)傳感器為例，介紹參數(shù)標(biāo)定方法。傳感器標(biāo)定主要借助QBot傳感器采集模塊搭建數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，利用其內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集卡獲取傳感器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)距離時(shí)返回的電壓值，硬件標(biāo)定平臺(tái)主要是標(biāo)準(zhǔn)距離參照鋼尺和測(cè)距障礙物，圖4為傳感器標(biāo)定時(shí)搭建的硬件平臺(tái)。

為了保證傳感器返回?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)采取了重復(fù)采樣取平均值的方法。借助傳感器標(biāo)定平臺(tái)，分三次進(jìn)行電壓采集，根據(jù)技術(shù)手冊(cè)參數(shù)說(shuō)明，該型傳感器有效測(cè)距為20 cm到150 cm，因此實(shí)驗(yàn)采樣距離從20 cm開始一直到150 cm，每10 cm采集記錄一次對(duì)應(yīng)傳感器返回的電壓值，連續(xù)采集三次，并取平均值。最終采集記錄的三組距離與電壓值如表1所示。

獲得距離與電壓值后，利用Origin軟件對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和擬合，Origin軟件提供了線性、指數(shù)、多項(xiàng)式、自定義函數(shù)等多種擬合方式，綜合考慮數(shù)據(jù)擬合曲線的準(zhǔn)確性及轉(zhuǎn)換公式計(jì)算復(fù)雜度，本文采用多項(xiàng)式擬合。按照測(cè)量數(shù)據(jù)，依次用二階、三階、四階和五階多項(xiàng)式擬合，具體擬合曲線如圖5所示。

通過(guò)擬合曲線對(duì)比可以看出，二階和三階多項(xiàng)式擬合的曲線和采樣平均值偏差較大，而四階和五階多項(xiàng)式擬合曲線和采樣平均值相差不大，綜合考慮計(jì)算的準(zhǔn)確性和復(fù)雜度，本文選擇四階多項(xiàng)式擬合公式作為其輸出電壓距離轉(zhuǎn)換公式，具體公式如下：

其中：y為檢測(cè)距離，x為傳感器輸出電壓值。

根據(jù)擬合公式，數(shù)據(jù)采樣與理論值的誤差分布如圖6所示，在該測(cè)距傳感器有效測(cè)距范圍內(nèi)，14個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)電壓基本與理論值基本一致，數(shù)值偏差最大為-0.041 2 V，滿足實(shí)際使用需求。

3? 結(jié)? 論

本文以移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡控制作為研究對(duì)象，針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人紅外傳感器測(cè)距要求，提出了一種基于Origin軟件擬合的參數(shù)標(biāo)定方法，并借助采集平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及參數(shù)擬合，得出結(jié)論如下：

（1）該型紅外傳感器在實(shí)際使用中，有效測(cè)距范圍為20 cm到150 cm，符合技術(shù)手冊(cè)使用說(shuō)明要求。

（2）使用平均值的四階多項(xiàng)式擬合公式，可以滿足實(shí)際測(cè)量需求。

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作者簡(jiǎn)介：紀(jì)海賓（1986—），男，漢族，江蘇鹽城人，講師，碩士研究生，研究方向：工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用。