基于一维激光测距仪的室内移动机器人定位
基于一维激光测距仪的室内移动机器人定位
作者:刘焕玲;刘桂华;刘钦
利用安装在云台上的一维激光测距仪对移动机器人进行定位的方法。首先将机器人坐标系建立在云台上 ,并建立室内固定的参考坐标系 ,利用云台获取的旋转角以及一维激光测距仪采集到的距离信息对云台和一维激光测距仪标定。由激光测距仪扫描得到参考坐标系三轴上的三个点 A、B、C 求得移动机器人在室内参考坐标系下的定位。实验证明 ,该方法灵活实用 ,简化了移动机器人的定位过程 ,其定位精度可以很好的满足工程需要。
1 引言
在室内环境下 ,移动机器人要到达一定的位置并完成一定的任务 ,首先必须根据周围环境中的特征信息确定自身在环境中的相对位置 ,这就是移动机器人的定位。定位技术是移动机器人导航的关键和基本问题。目前 ,移动机器人的导航定位方法有很多 ,两种最基本的位姿估计法为绝对定位和相对定位。绝对定位是指利用导航信标或地图来进行定位 ,主要包括 : GPS 导航定位、概率定位、电磁导航定位以及声音导航定位等 ,这些方法大多测量精度不高 ,且所需时间长。相对定位就是由移动机器人初始位置的距离和方向来确定当前位置的过程 ,主要包括惯性导航定位和激光或红外的导航定位等 ,其中由于激光的测量距离远、精度高和不易受干扰等优点而成为目前定位研究的热点。二维激光测距仪由于其射束宽度窄、测量精度高所以在该领域得到了广泛的应用。其基本思想是利用激光测距仪对周围环境进行扫描 ,得到一系列离散的数据 ,然后用一定的算法从这些离散的数据中提取有效的环境特征并和环境地图匹配 ,从而定位机器人。但是二维激光测距仪造价昂贵而且只能在相对较小的范围内获得测量效果 (一般在 8m 以内) ,并且扫描时存在盲区 ,因而比较繁琐。本文提出一种利用一维激光测距仪完成室内移动机器人定位的方法 ,有效降低了工程应用中的设备成本 ,与已有的位姿估计法和地图匹配法相比 ,简化了机器人定位问题 ,使定位更加简便。
2 移动机器人定位过程原理
坐标系的建立该方法通过各种几何方法确定移动机器人与室内环境的位置关系 ,所用到的坐标系统主要有两个 ,机器人坐标系和室内参考坐标系。移动机器人在导航定位过程中 ,为了寻找角点 ,需要转动安装在机器人上的云台带动一维激光测距仪的旋转 ,直到一维激光测距仪的光斑对准目标点。所以本文选取将机器人坐标系建立在云台上 ,以云台旋转的水平方向为 X 轴 ,纵轴移动方向为 Y 轴 ,按右手系确定 Z轴。由于机器人是移动的 ,机器人坐标系也是相对的 ,所以要建立一个室内固定的参考坐标系来准确定位机器人和空间物体。为了更好的描述移动机器人及室内物体的位置 ,本文中室内参考坐标系选取以墙角为顶点。
2. 2 定位系统原理
首先 ,要确定机器人坐标系统与一维激光测距仪的相对位置关系。由于机器人坐标系建立在云台上 ,因此先对云台和一维激光测距仪标定 ,这是准确求取目标点在场景坐标系中三维坐标的前提条件。其基本方法是先在云台上建立机器人坐标系 ,然后利用云台获取的水平方向和垂直方向的旋转角度分别记为α和β,以及一维激光测距仪采集到的距离信息 d 求取其转换关系。这样室内环境中任何一特征点在机器人坐标系下的三维坐标 ,记为 ( xt , yt , zt) ,都可以通过此转换关系求得。通过人机交互式遥操作旋转云台寻找墙角 ,使一维激光测距仪的光斑打到此墙角角点 ,并以此墙角点为坐标系原点 ,墙角三条棱线为坐标轴建立室内参考坐标系。根据上面所述 ,空间目标点在机器人坐标系下的三维坐标在对云台和激光测距仪标定后都可以求得 ,以下要解决的问题是如何把目标点在机器人坐标系下的三维坐标转换到室内参考坐标系下。为完成机器人坐标系和参考坐标系的转换 ,必须要求出两个坐标系的旋转矩阵 R 和平移矩阵 T。而要求得 R 和 T 必须在两个坐标系下有至少三个已知坐标的非共线点才能进行测量 ,即若能在机器人坐标系 (设为 O1) 和参考坐标系 (设为 O2) 下寻找到至少三个在两个坐标系下坐标分别已知的公共点 ,且三个点非共线 ,便能求出 O1 和 O2 的相对关系 ,即可以求出 R、T。以下的问题就是要解决如何在机器人坐标系下得到三个以上的点的坐标并通过激光测距仪的距离信息得到旋转矩阵 R 和平移矩阵 T。通过旋转云台 ,由激光测距仪扫描得到在参考坐标系下的分别在 X 、Y、Z 轴上的三个点 A 、B 、C ,又因为 O2 (原点坐标) 、A 、B 、C 四点在机器人坐标系下可以通过前期工作计算得出其三维坐标信息分别为 ( x0 , y0 , z0) , ( x1 , y1 , z1) , ( x2 , y2 , z2) , ( x3 , y3 , z3) ,则通过欧氏距离公式得出 O2 A 、O2 B 、O2 C的距离 ,进而可知式 (1) 中三维坐标点。由以上得出了两个不同坐标系下非共线三个点的坐标信息 ,然后就可以利用这三个点求出旋转矩阵 R 和平移矩阵 T。A 、B 、C 三点在机器人坐标系 O1 和参考坐标系O2 中的坐标记为( Xi , Yi , Zi) , ( Xt i , Yt i , Zt i) ,由此 ,一维激光测距仪扫描到的点都可以通过式转化为在参考坐标系下的三维坐标 ,所以移动机器人相对于室内场景坐标系的位置也可完全确定。
3 定位系统的设计
3. 1 传感器的选择
本文中移动机器人的定位系统由一维激光测距仪、CCD 探测相机、云台和光源组成 ,并与后台软件通过视频监控对移动机器人遥控操作一起完成室内的初步定位。
该系统采用的一维激光测距仪为瑞士 DIMETIX公司的 DLS - C15 激光测距传感器 ,如图 1 所示 ,一维激光测距仪需要配合云台完成扫描 ,本系统中云台为天津嘉杰电子有限公司的 J - PT - 2215 - D 智能变速云台 , 所用的摄像机是索尼 FCB - EX980P。该方法之所以选用一维激光测距仪是因为其有以下优点 : (1) 测量距离远 ,测量距离在 8m - 10m ,足够满足室内需求 ; (2) 光斑可见 ,便于人机交互 ,在室内位置环境中 ,这种特性非常便于人的远程操作 ; (3) 通过高精度二自由度云台的配合 ,可以实现对室内环境特征的高密度扫描。
本系统中由于激光是一维的 ,所以必须配合云台才能完成更多功能 ,实验中将激光测距仪、CCD 摄像机安装在云台上 ,从上往下依次为CCD 摄像机、一维激光测距仪和云台。通过旋转云台控制激光测距仪和摄相机采集信息 ,从而完成对移动机器人和环境中目标点的定位。
3. 2 后台软件设计
本系统的后台测量软件是在 VC6. 0 环境下 ,通过人机交互式遥操作层提供友好的人机操作接口 ,便于操作员控制测量设备。主要模块包括云台和相机控制部分和激光测距仪的控制部分。其主要功能有设置系统测量参数及采集云台角度信息、激光测距仪数据和显示等。软件系统工作流程。一维激光测距仪有单次测量、连续测量和带缓冲的连续测量三种工作方式。本测量系统中 ,由于首先要寻找到目标点 ,然后再精确测量此点的距离信息 ,所以采用单次测量方式。测量时 ,首先通过云台控制部分带动摄像机调整观察角度 ,使得激光测距仪光斑对准被测点 ,然后通过云台和相机控制部分的角度查询和激光测距仪控制部分的距离测量分别得到角度和距离信息。
4 实验验证和分析
为了验证该方法的有效性和灵活性 ,进行了大量的实验。首先在 VC610 环境下编写后台测量软件 ,然后基于以上理论分析与推导 ,在MATLAB 中编写一维激光测距仪和云台的标定及两个坐标系的转换程序。移动机器人进入室内环境前对云台和一维激光测距仪进行标定 ,进入室内环境后 ,首先寻找墙角点 ,然后以墙角 O 为坐标原点建立室内参考坐标系 ,在参考坐标系的 x 、y 、z 轴上分别选取 A 、B 、C三点 ,最后通过前述方法计算出云台坐标系和参考坐标系的转换矩阵 R 、T。表一中为测得的激光测距仪和云台数据信息。
为方便验证和分析定位精度 ,实验中测得云台中心相对于场景参考坐标系的坐标为 (211m ,214m , 117m) ,与机器人坐标系到场景坐标系的平移矩阵 T相比较 ,可知得出的 T 的数据都在实际范围内 ,可以满足工程的需要。为了进一步验证该方法的定位准确性 ,本文中选取以标杆为标准物 ,其标准长度为99819mm .首先 ,测得标杆两端点在机器人坐标系下的三维坐标 ,然后利用以上得出的 R 、T 矩阵 ,并根据式得出在场景坐标系下的三维坐标 ,最后根据欧式距离公式计算得出标杆长度 ,将其与标杆标准值对比。根据欧式距离公式得出 l1 l2 = 100110mm ,与标杆标准长度 99819mm 相比可知 ,定位精度在 2mm 左右 ,所以该方法有较高的定位精度 ,可以较好的定位移动机器人或室内任何目标点 ,能够满足工程应用中在室内初步定位移动机器人的需要。
5 结语
定位是移动机器人导航系统中的关键技术 ,本文提出了一种利用一维激光测距仪对移动机器人进行定位的方法。该方法选取将机器人坐标系建立在云台上 ,并建立室内固定的参考坐标系 ,利用云台获取的旋转角以及一维激光测距仪采集到的距离信息对云台和一维激光测距仪标定。由激光测距仪扫描得到参考坐标系三轴上的三个点计算机器人坐标系与参考坐标系之间的转换关系 ,求得移动机器人在室内参考坐标系下的定位。利用该方法也可求得室内任何目标点在参考坐标系下的坐标。文中对该方法进行了实验验证 ,实验结果表明该方法的可行性 ,简化了移动机器人的定位过程 ,其定位精度可以很好的满足工程要求。
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