基于多傳感器融合SLAM應(yīng)用的室內(nèi)清潔機(jī)器人研究

基金項(xiàng)目：湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（指導(dǎo)性項(xiàng)目）“基于多傳感器融合技術(shù)的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人SLAM算法應(yīng)用研究”（B2018322）。

作者簡(jiǎn)介：張勝男（1980-），女，工程師，講師，主要從事自動(dòng)控制系統(tǒng)研究。

摘 要：隨著人們對(duì)家居環(huán)境要求的不斷提高，清潔時(shí)間卻不斷減少，自動(dòng)清潔機(jī)器人的需求尤為廣泛。本文中清潔機(jī)器人通過(guò)多傳感器融合的SLAM技術(shù)先對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行辨識(shí)的同時(shí)進(jìn)行地圖構(gòu)建，自動(dòng)規(guī)劃大概的路徑;后續(xù)在已規(guī)劃的路徑中可自動(dòng)避障行走，且在工作過(guò)程中可自動(dòng)檢測(cè)電量，若電量低于臨界值則終端尋找預(yù)設(shè)好目標(biāo)位置的充電樁進(jìn)行對(duì)接充電，電量充滿后繼續(xù)運(yùn)行被中斷的程序。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)清潔機(jī)器人;多傳感器融合;SLAM

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.12.089

0 引言

智能機(jī)器人擁有多種傳感器來(lái)感知周圍環(huán)境，還需要進(jìn)行環(huán)境建模與目標(biāo)識(shí)別、任務(wù)規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制等復(fù)雜的功能。因此，高度智能化機(jī)器人需要多模塊相互協(xié)作來(lái)完成任務(wù)。

1 機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃

室內(nèi)清潔機(jī)器人的任務(wù)主要有三個(gè)：路徑規(guī)劃、自動(dòng)避障和自動(dòng)充電。其中，路徑規(guī)劃和自動(dòng)避障都屬于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航。

路徑規(guī)劃是根據(jù)清掃區(qū)域合理規(guī)劃運(yùn)行路線。完成此任務(wù)必須先通過(guò)傳感器獲取周圍環(huán)境信息，分析處理后獲得一個(gè)能順利通過(guò)并且能全區(qū)域覆蓋運(yùn)行的路線;此外還需要在完成清掃任務(wù)后能夠自動(dòng)回到起始點(diǎn)或充電樁，或者在任務(wù)過(guò)程中因電量低規(guī)劃對(duì)接充電樁的路徑，并且在充電完成后駛回中斷位置。自動(dòng)避障是實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、按路徑完成清潔作業(yè)，以及處理作業(yè)過(guò)程中一切突發(fā)狀況確保作業(yè)順利的最核心的功能。該功能依賴外設(shè)傳感器獲取環(huán)境信息，系統(tǒng)進(jìn)行處理后修改當(dāng)前路徑方向以達(dá)到避開(kāi)障礙物的功能。

自動(dòng)充電功能是清掃機(jī)器人智能化的一個(gè)基本體現(xiàn)，是電源技術(shù)、信號(hào)對(duì)接技術(shù)等功能的結(jié)合運(yùn)用。機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)電量低于臨界值時(shí)能夠自主尋找充電樁進(jìn)行充電。

2 運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航

室內(nèi)自動(dòng)清掃機(jī)器人通過(guò)傳感器信息來(lái)分析環(huán)境特征，確定路標(biāo)，作為運(yùn)動(dòng)的參照進(jìn)行定位，與此同時(shí)完成地圖構(gòu)建;地圖構(gòu)建就是確定路標(biāo)或環(huán)境特征的絕對(duì)位置。定位與地圖構(gòu)建互為條件，同步進(jìn)行。SLAM歸納起來(lái)就是一個(gè)“感知一估計(jì)一校正”的過(guò)程，主要包括三個(gè)迭代步驟：（1）機(jī)器人根據(jù)當(dāng)前的位、姿估計(jì)與地圖信息對(duì)下一步的位、姿和路標(biāo)（特征）位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。（2）在下一步中通過(guò)傳感器觀測(cè)環(huán)境中的路標(biāo)（特征）。（3）利用觀測(cè)信息校正上一步預(yù)測(cè)的定位與地圖構(gòu)建結(jié)果。

上述步驟循環(huán)迭代進(jìn)行，過(guò)程中機(jī)器人完成對(duì)自身位、姿和路標(biāo)（特征）位置的準(zhǔn)確估計(jì)，并以增量的方式完成地圖創(chuàng)建?，F(xiàn)有的SLAM研究方法包括四類，分別是基于擴(kuò)展的卡爾曼濾波器的（EKFF）方法、基于粒子濾波器（Particle Filter-PF）的方法、期望最大化方法（Expectation Maximization.EM）和增量方法。本項(xiàng)目采用基于PF的GMAPPING算法進(jìn)行優(yōu)化。

在機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中，只采用單一傳感器無(wú)法確保信息的準(zhǔn)確性和可靠性，需要采用多個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與環(huán)境信息的盡可能充分匹配，便于機(jī)器人做出正確的決策。算法上采用多傳感器信息融合技術(shù)將分布在不同位置、不同種類的傳感器所提供的局部環(huán)境的不完整信息加以分析，利用冗余性和互補(bǔ)性將數(shù)據(jù)合成，實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，消除多傳感器之間可能存在的冗余和矛盾，降低定位和地圖構(gòu)建的不確定性，獲得機(jī)器人在工作空間中的位置、方向和環(huán)境信息，從而提高建立環(huán)境模型的魯棒性，以及系統(tǒng)的可靠性。

在通常的SLAM算法中，觀測(cè)量要與系統(tǒng)狀態(tài)變量匹配，以確定不斷更新的目標(biāo)。成功的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)涉及正確的觀測(cè)與相應(yīng)的狀態(tài)變量匹配，探測(cè)和排除虛假觀測(cè)以及初始化新的軌跡。項(xiàng)目采用基于更新序列和預(yù)測(cè)協(xié)方差矩陣的并行集中式多傳感器數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

項(xiàng)目應(yīng)用IMU初始化系統(tǒng)的位姿，采用EKF對(duì)非線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行線性濾波;并結(jié)合對(duì)激光雷達(dá)掃描點(diǎn)區(qū)域的合理劃分進(jìn)行構(gòu)圖，可以很好地解決地標(biāo)的深度特征和回環(huán)檢測(cè)的問(wèn)題，有效提高地圖構(gòu)建質(zhì)量和速度。

激光雷達(dá)采用HC-SR04系列，3cm到90cm的測(cè)量范圍基本上可以滿足在室內(nèi)機(jī)器人的需求。遠(yuǎn)距離誤差較大（1cm-2cm），近距離誤差較小，而且可以根據(jù)不同的模塊不同的需求在一定范圍內(nèi)作一定的修正。HC-SR04主要參數(shù)：工作電壓：+5V;靜態(tài)電流：<2mA;感應(yīng)角度：<15°;探測(cè)距離：2cm-450cm;分辨率：0.3cm。超聲波模塊在本設(shè)計(jì)中作為避障和路徑規(guī)劃的主要傳感器模塊，工作環(huán)境在室內(nèi)，對(duì)遠(yuǎn)距離沒(méi)有太大要求。

3 自動(dòng)充電

電源模塊由充電樁和車載電池組構(gòu)成，基于系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔性選用接觸式充電。充電樁電源電路先將220V交流電整流成12V直流電，通過(guò)線性穩(wěn)壓和濾波過(guò)后，由開(kāi)關(guān)電源芯片進(jìn)行降壓，從而可以恒壓恒流為車載電池組充電。車載電池組由電池組、降壓電路和電量監(jiān)測(cè)電路組成。電池組選用3節(jié)18650鋰電池串聯(lián)，其配套保護(hù)板可以在過(guò)欠等狀況下很好地保護(hù)電池。

模塊中經(jīng)LM7812穩(wěn)壓過(guò)后的+12V電源提供給步進(jìn)電機(jī)工作用電，LM7805穩(wěn)壓得到+5V電源提供給單片機(jī)、OLED、超聲波等模塊的工作電源。

充電樁模塊主要實(shí)現(xiàn)一個(gè)DC220V的市電轉(zhuǎn)換為可以提供車載電池充電的恒壓恒流電源。電路中使用為安規(guī)電容。安規(guī)電容的特點(diǎn)是在斷電以后，電荷不會(huì)保留一段時(shí)間再消失。所以系統(tǒng)斷電時(shí)不會(huì)對(duì)接觸的人造成電擊，保證室內(nèi)使用者和維修人員的安全。采用全橋整流器和線性穩(wěn)壓芯片LM7815保持輸出電壓恒定為15V，防止輸入電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度、電路參數(shù)等發(fā)生變化時(shí)，不會(huì)對(duì)DC-DC電源芯片造成沖擊導(dǎo)致其損壞。15V的直流電壓通過(guò)DC-DC電路給3節(jié)18650鋰電池（+12V）充電提供恒流恒壓電源。

這是一個(gè)基于MC34063電源芯片的經(jīng)典運(yùn)用電路，應(yīng)用比較廣泛極性反轉(zhuǎn)效率最高65%，升壓效率最高90%，降壓效率最高80%，變換效率和工作頻率濾波電容等成正比。其中R1為限流電阻，決定輸出點(diǎn)電流。U2為電源芯片。C4為定時(shí)電容，決定內(nèi)部工作頻率。D2為快速開(kāi)關(guān)二極管。D3作為輸出電壓指示燈指示工作狀態(tài)。主要外圍元件標(biāo)稱含義和它們?nèi)≈档挠?jì)算公式如下：

Vout（輸出電壓）=1.25V（1+R4/R2）

C4=0.000004*工作頻率

R1=0.33/IPK

此外，在充電樁中本文設(shè)計(jì)了一個(gè)紅外調(diào)制模塊，其中使用了STC15F104W單片機(jī)，需要提供+5V的電壓。采用LM7805穩(wěn)壓芯片，使單片機(jī)能獲得一個(gè)穩(wěn)定的工作電壓。

4 電量檢測(cè)

為了滿足系統(tǒng)的供電要求，選用了3節(jié)18650鋰電池作為電源。本模塊電路為AD采樣電路，目的為了檢測(cè)電池電量。單節(jié)18650的充電截至電壓為4.2V，放電終止電壓為2.75V。因此，本模塊充電截至電壓設(shè)置為12.6V以及放電中止電壓為8.25V。內(nèi)部算法處理電壓與電池電量關(guān)系后將電量百分比顯示在屏幕上。在獲取到機(jī)器自身或外界信息時(shí)，通過(guò)對(duì)主單片機(jī)的編程利用單片機(jī)的中斷功能，來(lái)執(zhí)行尋找充電樁或自動(dòng)路徑規(guī)劃的運(yùn)行軌跡。因此，本設(shè)計(jì)中有兩個(gè)重要的中斷。

電量低中斷流程圖如圖4。在該中斷程序中觸發(fā)條件為AD功能采集的電壓信號(hào)低于臨界值。在主程序中一直有監(jiān)測(cè)電量，當(dāng)電量低于預(yù)設(shè)臨界值時(shí)，程序跳出原執(zhí)行程序，即清掃路徑規(guī)劃程序，然后紅外接收模塊開(kāi)始工作，與此同時(shí)車身開(kāi)始原地旋轉(zhuǎn)，當(dāng)接收模塊接收到可靠的來(lái)自充電樁紅外信號(hào)時(shí)，停止旋轉(zhuǎn)，直行駛向充電樁。充電完成后，重新回到清掃路徑規(guī)劃的程序中運(yùn)行。

5 實(shí)驗(yàn)與分析

項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)依托HUSKY的輪式移動(dòng)小車，在開(kāi)源ROS平臺(tái)進(jìn)行多傳感器融合SLAM算法測(cè)試并改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了提高移動(dòng)機(jī)器人SLAM算法的實(shí)時(shí)性和魯棒性。并結(jié)合自動(dòng)充電技術(shù)，完成自動(dòng)清掃機(jī)器人的作業(yè)模擬，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

參考文獻(xiàn)

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