1、第23卷第3期開發與創新2010年5月文章編號：10026673（2010）0300803DevelopmentInnovationofMachineryElectricalProducts機電產品開發與創新May,2010基于光電傳感器的移動機器人局部定位系統張學民1，陳西平2，宋述穩1（1.空軍第一航空學院，河南信陽464000；2.河南理工大學，河南焦作454003）摘要：移動機器人的定位是實現智能控制的基礎，目前常用的方法有里程計定位和視覺定位等。視覺定位常常不能判斷物體的準確位置，而里程計定位則存在輪子打滑情況。因此，常遇到因慣性滑動導致定位不準的情況，以致對輪轉的測量數據不能作為判

2、斷機器人實際運行情況的依據。本文提出一種利用光電傳感器實現局部精確定位的方法，它和視覺定位配合可實現Robocup足球機器人的大范圍精確定位。關鍵詞：移動機器人；里程計定位；視覺定位；光電傳感器；Robocup中圖分類號：TP24文獻標識碼：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2010.03.003LocalPositioningSystemforMobileRobotBasedonPhotoelectricSensorZHANGXue-Min1，CHENXi-Ping2，SONGShu-Wen1(1.TheFirstAeronauticInstituteofAirFo

3、rce，XinyangHenan464000，China;2.HenanPolytechnicUniversity，JiaozuoHenan454003，China)Abstract:Mobilerobotlocalizationisthebasisforintelligentcontrol,andthecommonlyusedmethodsarevisualorientationandodometerpositioning.Thevisualorientationtotheexactlocationcannotrow,whereastheodometerwheelmayspinorienta

4、tion.Thereas,therotationofthemeasurementdataisdifficulttojudgetheactualmovementoftherobotbecausetheslidinginertiaoftenbeencountered.Inthispaper,aphotoelectricsensortoachieveaccuratelocalpositioningmethodispresented,alargerangeprecisepositioningofRobocuprobotsoccercanberealizedifitisusedwithvisualori

5、entationtogether.Keywords:mobilerobot；odometerpositioning；visualorientation；photoelectricsensor；robocup0引言移動機器人的運動機構多為輪滑式，特別是重，這種誤差產生丟球也是很常見的。后者只適用于在機器人靜止狀態時進行定位，而在運動時，要及時準確的反饋機器人在場地中的位置是很困難的。為解決滑動引起定位不準的問題，本文提出一種光電傳感器進行局部定位的方法，它的基本原理類似光電鼠標定位技術，即不斷從相對移動表面采集圖像，提取特征點從而計算相對位移量。Robocup中型組足球人。常見的足球機器人運動機

6、構有全方位移動和雙輪差速兩種驅動方式，為使實際位置與理論控制位置的高度一致，一般采用將光電編碼器安裝在輪子上，將輪轉運動進行反饋到控制系統進行PID控制；或者采用視覺系統對機器人在場地中的位置作整體定位1。前者對輪子旋轉運動控制的再精確也難免產生1測量方法概述傳感器輸出的數據實際上是在采樣周期內，測量點在xy方向上相對于參考面累計位移量的對應值。根據實際位移量（X，Y）與對應值（Xc，Yc）的函數關系和采樣周期（T），可以得到該點在采樣周期內的平均速度。從將機器人的平面運動分解為平移和轉動來看，只要得到任意時刻機器人的位置坐標（x，y）和方向角，就可以確定機器人在場地中的位姿。下面具體分析雙輪

7、差速測量方慣性滑動，這種誤差的累積對機器人位姿的影響十分嚴收稿日期：20100420作者簡介：張學民（1972-），男，河南鞏義人，碩士研究生，講師。從事精密儀器的研究與教學工作，已發表論文十余篇。陳西平（1971-），男，河南新鄉人，博士，碩士研究生導師。研究領域：機器人技術，壓電驅動及控制。已發表論文三十余篇。8開發與創新法。機器人的運動學模型為：00000000000xvy=sin0010000000000000000000cos02實驗裝置（1）根據這一原理，使用光電傳感器芯片PAN3101構造相應的硬件平臺，通過適當的軟件設計，即可實現對機器人位置的確定。00000000000式中：

8、（x，y）位置坐標；方向角；v機器人基點速度；轉動角速度。對于雙輪差速機器人，傳感器采用如圖1所示的安裝方法，O為左右輪的中心點，兩測量點Ol、Or對稱分布在O兩端的軸線上，傳感器Y方向與軸向垂直，兩X方向指向相同。對于這種安裝方法，軸向沒有位移，所以只需要到Y方向的數據（Yl、Yr）。設、兩點測得的速度分別為Vl、2.1硬件結構PAN3101是一款鼠標上普遍使用的光電傳感器，其芯片腹部有一個感光孔，與透鏡配合構成圖像采集部分。外部控制器可通過串口讀取X、Y方向實時位移量對應值。它集成了COMS圖像傳感器和DSP；使用18.432MHz晶振；圖像處理速度3000幀/秒；最大移動速度21英寸/秒

9、；提供800CPI輸出2。圖2所示為系統電路圖，傳感器U1、U2串行口分別與單片機I/O口相連；單片機的串口通過MAX232電平轉換與上位機TMS320C2407的SCI端口相連。單片機AT89C2051作為控制器，實時采集U1、U2位移信息并進行處理，最終將測量數據反饋給上位機。Vr、Or之間距離為l，則：=Vr-Vllv=v+v2由式（1）（3）可得到：x(t)=12y(t)=1(t)=1（2）（3）乙(V+V)cosdt+x(0)乙(V+V)sindt+y(0)乙(V-V)dt+(0)0trlrlt0rlt（4）可以看到，只要得到實時數據Vl、Vr，即可確定機器人位姿。由于采集到的是周期

10、性離散的數據，數據表示的是測量點在采樣周期（T）內，運動軌跡的弧線長度的函數。在處理時，將在每個周期內運動的弧線近似為直線，第n個周期測到的弧線長表示為Yl（nT）、Yr（nT），可以得到方便程序計算的運動方程：t圖2系統電路圖Fig.2Circuitofsystem2.2軟件設計每個傳感器測得的位移信息存放在相應的X、Y寄存器中，分別用一個有符號字節表示，范圍-128127，代表至從上次讀取之后，X或Y方向累計的位移量，如果超出這一范圍，相應的寄存器溢出標志位置位。由于這個范圍表示的數據范圍較小，單片機的一個主要工作就是不斷從這些寄存器中將數據讀出來，累加并保存3x(t)=1y(t)=12(

11、t)=1l(t)+x(0)Y(nT)+Y(nT)cos(t-T)+rln=1t。讀取控制字由2字節16位組成，最高位（bit15）是讀寫rl(t)+y(0)Y(nT)+Y(nT)sin(t-T)+n=1tT（5）標志位，1為寫，0為讀。接下來高字節的bit14bit8是地址位，分別對應傳感器內控制或數據寄存器的地址,低字節bit7bit0是控制數據。單片機讀取處理數據流程4如圖3所示，Motionstion是傳感器內的一個寄存器，它含有是否檢測到位移的標志位。在讀數據之前要先讀一次該寄存器。Y(nT)-Y(nT)+(0)rln=1由物體在慣性系中平面運動理論可知，已知兩固定點在任意時刻的速度，

12、即可描述物體運動狀態。傳感器安裝如圖1所示，在感光孔下方安裝透鏡，并與地面正對。3實驗結果與分析根據樣機的實驗，我們得到了讀取數據與實際位移9開發與創新量函數的關系，發現影響測得數據準確性的因素有以下幾點：圖3讀取處理數據流程圖Fig.3Flowchartofreadingandhandlingdata3.1程序讀取誤差PAN3101輸出為800CPI，即每測得1英寸位移量，轉化成800的量化值，即每移動1mm，對應報告數約為動距離與讀取值的對應關系，從判定系數R2=0.9996上看，線性度較為理想。圖5是測量值上下偏差范圍圖，上下偏差范圍不大于2mm，誤差范圍1。32，但考慮到傳感器內部用8

13、位有符號數表示，范圍為-128127，這要求在每移動約4mm過程中至少讀一次，以防止寄存器溢出，按0.5m/s速度計算，每次讀取最多耗時約90ms。該系統完成一次讀取耗時720s，滿足沒有溢出要求。4結論及展望本文提出一種利用光電傳感器實現移動機器人局部定位的方法，設計了硬件平臺，并進行了軟件編程。通過試驗發現該方法作為局部定位的可靠性。但要實際應用于機器人的定位還要解決以下問題：（1）丟幀。即傳感器連續拍攝的兩幀畫面中，由于移動速度過大，當后一幀拍攝時，移動的距離已超越了前一幀的全部畫面，而沒有得到重合的特征點。解決思路：一是提高傳感器刷新頻率；二是提高分辨率，即增大每幀圖像的覆蓋面積。（2

14、）與采樣面的距離。足球機器人需要的理想距離至少20mm。（3）采樣面不理想。即高低不平或太光滑，而提取不到特征點。隨著光電傳感器的的刷新率和分辨率的提高，基于光電傳感器的局部定位方法將有廣闊的前景。參考文獻：1JorgeAngeles機器人機械系統原理理論、方法和算法M北京：機械工業出版社，20043.2圖像采集環境實際移動量與讀取數據間的函數關系與CPI、透鏡規格、感光孔與采集面距離有關，但這些條件在足球機器人應用上，是在系統確定后不會隨機改變的，這個對應關系可以通過實驗的方法對系統的函數參數重新標定。3.3干擾問題相對運動面的理想程度，光路雜質干擾，光源干擾問題。足球機器人比賽是在標準地毯上進行的，沒有上下坡，是相當理想的；灰塵雜質可能附著在透鏡表面，影響圖像的采集。我們在實際中發現，由于透鏡半徑較小，這個影響并不是很明顯。對于其它特殊情況，可以采用氣吹的方法除去灰塵；對于光源影響，一般都采用高亮LED獨立照明，且一般安裝在機器人底部，故不會受到外界光源干擾。3.4距離關系標定與距離誤差累積的驗證由于測量時會產生誤差，這種誤差會隨著移動距離的增加而累積，我們通過實驗來觀察其誤差程度能否滿足測量需要。實驗方法是：使傳感部分以慢速勻速從理想面滑移10200mm距離（10mm步進），分別記錄每個距離對應的讀