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传感器融合在多机器人合作定位中的应用

来源:华佗健康网
科技通报 第27卷第2期 Vo1.27 No.2 2011年3月 BULLETIN 0F SCIENCE AND TECHNOL0GY Mar.2011 传感器融合在多机器人合作定位中的应用 刘显荣 (华南理工大学控制与优化中心,广州510640) 摘要:机器人的定位技术是进行机器人环境探索、协调运动研究的前提,从信息融合的思想出发。提 出了一种融合多传感器信息的合作定位技术。首先,对两轮机器人的基本运动形式进行建模,并针对超 声波传感器建立了机器人之间的相对观测方程。然后,分别对机器人的内、外部传感器进行滤波和第一 级融合,得到自身位姿和相对观测信息。最后,利用扩展卡尔曼滤波(EKF)融合机器人的自身位姿和观 测信息,实现多机器人的合作定位。实验结果表明,本合作定位能够使机器人之间互为路标,消除码盘 定位的累积误差,有效地提高机器人定位精度。 关键词:传感器融合;多机器人系统;合作定位;扩展卡尔曼滤波 中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1001—7119(2011)02—0277—05 Application of Sensor Fusion in Multi-robot Cooperative Localization LIUXianrong (Centre for Control and Optimization,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China) Abstract:Robot localization is the premise of other robot research,such as environment explore and motion coordination. Inspired by information fusion,a novel muhi-robot cooperative localization technology is presented,which fuses the robot’ S multiple sensor data.Fisrt,the basic motion form of the two-wheel robot was modeled,and the relative observing formu— la was built aiming at the ultrasonic sensor.Then filtering and fisrt-level fusion were applied to robots proprioceptive and exteroceptive sensors respectively,by which obtained the robot’S proprioceptive location data and relative observing data. Finally,the robot’S proprioceptive lcoation data and observing data were fused by extension kalman filter(EKF),and the multi—robot cooperative localization was implemented.Experiment result demonstrates this cooperative localization tech- nology can get the robots to form landmarks for each other,eliminate the accumulate error from encoder,and improve the orbot localization accuracy efifciently. Key words:sensor fusion;multi・robot system;cooperative localization;EKF 0 引言 自主并协作完成任务,首要解决的问题就是机器 人的自主定位与导航。通常,单个机器人会装备 在过去的十多年里.多机器人的群体协作因 有多种传感器,传感器获得的信息有三类…:冗余 具有比单一机器人更高的鲁棒性、灵活性及工作 信息、互补信息和协同信息。合作定位就是利用 效率等优点得到了广泛的关注。它在军事侦察、 这三类信息提高系统的可靠性和鲁棒性.扩展时 搜索救援、工业制造等领域具有广泛的应用前 间上和空间上的观测范围,增强数据的可信度和 景。在这些应用中,要实现机器人群体在环境中 分辨率。 收稿日期:2010—10—10 基金项目:国家自然科学基金(60925013) 作者简介:刘显荣(1986一),男,江西赣州人,硕士研究生,研究方向为传感器融合、机器人协调控制。E.mail:li. uxr_seut2008@163.corn. 278 第27卷 自从多机器人合作定位被提出以来,得到了 广泛深入地研究。Howard等人提出了一种多机器 从上图可以看出.机器人的传感器信息经过 滤波和计算后,得到两类异质的定位信息。然后 运用EKF,进行第二级的融合,最终实现合作定 位。 人合作的相对定位方法 ,即每个机器人确定团 队中其他每个机器人相对自己的位置,来修正移 动机器人码盘的误差积累,这种方法不需要路标 或环境模型即可实现较精确的定位。文献i 3。 通过 机器人之问的相互观察实现定位,是对文献[21研 2 机器人的运动模型和观测模型 卡尔曼滤波是一种递推形式的状态估计方 究工作的拓展。文献l5j应用最大似然估计和数值 优化方法,融合机器人的相对观测信息来提高定 位精度。Fox等人[eJ应用蒙特卡洛(MCL)定位方 法,提出了多机器人合作定位的一种概率算法。 Bekey和Roumeliotis在文献 提出了基于贝叶斯 估计和卡尔曼滤波的移动机器人定位的统一框 架。 以上介绍的各合作定位算法都侧重于合作 定位方程的推导。没有给出特定机器人和传感器 平台下的实现方法。国内方面,也开展了一些多 机器人系统的研究,但侧重于协作理论、运动规 划和队形协调,较少涉及合作定位技术的研究 。 本文针对AmigoBot机器人平台,提出了一种融合 码盘和声纳环信息的合作定位技术。不仅对合作 定位方程进行了详细的推导,还在于提f}{了合作 定位的技术框架,为多机器人合作定位的实际应 用提供了一条技术路线。 1合作定位技术框架 合作定位是指多机器人群利用相互之间的 观测信息,在未知环境中互为路标,并通过信息 交换,共享各个机器人获得的自身和环境测量信 息,得到比单个机器人自身定位更精确的位置估 计I8_。据此,制定合作定位的技术框架,如图1。 A 图1 合作定位技术框架 Fig.1 Frame work of cooperative localization 法,它要求建立系统的状态方程和观测模型。对 于高斯噪声下的线性系统,卡尔曼滤波是统计意 义上的最优估计。而对于非线性系统,需要对状 态方程和观测方程进行线性化,滤波过程被称为 扩展卡尔曼滤波。所以,进行机器人合作定位的 第一步是建立精确的机器人运动模型和传感器 观测模型 2.1机器人运动模型 前声 轮 图2 AmigoBot机器人外观 Fig.2 Appearance of AmigoBot robot  ‘本研究采用Mobile Robots公司的AmigoBot 机器人。如图2。作为优秀的团队机器人,它装备 有测量位置信息的内部编码器、声纳环和通信用 的无线模块 AmigoBot机体中央具有两个独立驱 动的动力轮,后部有一个起平衡作用的自由轮。 以机器人的前进方向为0度基准,8个声纳传感 器分别安装在±l5。、±4lo、±90。、+-145。的位置。 根据AmigoBot的实际参数,本文采用以下几 何模型来推导机器人的运动学方程。 图3中 和Y是机器人的质心坐标,0是机 器人前进方向与 轴的夹角, 是前进方向的线 速度, 和 是左右轮的前进距离。下图4显示 的是机器人在一个采样周期内的运动轨迹,而机 器人的实际运动可视为多个这样的圆弧组成。 第2期 刘显荣.传感器融合在多机器人合作定位中的应用 279 2.2相对观测模型 在每个AmigoBot机器人上都安装了一组超 声波传感器,用于检测机器人周围的物体。图5 显示了某时刻机器人i、 进行相对观测的结果。 其中 是相对距离, 是机器人 相对与i的方 位角, 是i相对于 的方位角,统称为相对观测 信息。相对观测信息与机器人自身位姿信息的数 X 图3机器人运动几何模型 Fig.3 Geometric model of robot motion 图4单个采样周期内机器人的运动形式 Fig.4 Motion form of robot in a sample pe6od 假设机器人在图中A点的位姿是( , , , 运动到B点后,其位姿变为( 。,Yk + )。0是机 器人前进方向与x轴的夹角, 是本次采样 期间机器人左右轮运动的距离,n为两轮间距。下 面介绍机器人运动模型的建立过程。 1)以A点建立坐标系,求B点位姿( ,Ay, △ ) I =一0.5 1 +/ ̄)sin(A0/2) {Ay=0.5 l +p ̄)cos(A0/2) (1) 【Ax=2arcsin[( -/xl )/4a] 2)将上一步求得的位姿变换到图3坐标系 中 )+[ sinO k IOk+1=0k+A0- ̄ +(- -/xl )/2a 3)将式(1)代入式(2),得到机器人的运动方 程  l=xk+0.5 1k+ ̄)cos( +( -/.tlk)/4a) { +1= +0.5 1 +/ ̄)sin(Ok+(乒 -/xt )/4a) (3) l Ok+1=Ok+ -/zl )/2a 令状态变量X =(钆,yk, ) , = , ) ,上 面的方程组可以写成以下非线性函数的形式。 X _厂( , ). (4) 量关系被称为观测模型[3’ 。具体如下。 c 甘 ㈤ 【 =ta n ‘l l Yi-'Y i J,【 一 I一 其中观测变量 ( , ) ,同理可得 。 D4  。X ・● 图5机器人相对观测示意图 Fig.5 Relative observation of robots 3‘多传感器信息融合 3.1融合前的预处理 传感器信息不可避免地存在干扰.所以在融 合不同的观测信息前,需要进行滤波。本文使用 的机器人装有编码盘和声纳环两种传感器.下面 介绍二者的预处理方法。 编码盘自身的测量精度高,传统的码盘定位 主要误差来源于测量原理本身,所以对编码盘的 数据只进行简单的限幅处理,保证码盘读数处于 合理的范围。对于声纳传感器,由于多路径效应、 气流扰动的影响,测量结果通常伴随着突变或随 机噪声,所以采用增量限幅与求均值相结合的方 法。 3.2声纳环的信息融合 机器人的声纳环由8个处于不同位置的超 声波传感器组成,声纳环的信息融合就是要利用 这8组数据来估计队内另外一个机器人的相对 位置。 假设实验区域内除了机器人Rl和R2.不存 280 科技通报 第27卷 在其他能产生和反射超声波的物体。R1对R2进 P0 。为单位矩阵,X。.o==(0,100,"rr/2) 。仿真结果如 图6~7: 1200 t I----Robot1 Encoder I行声纳定位后,8个传感器测得的距离为di(i=1~ 8),对应的传感器安装角度为b (i=1~8),具体数 值前文已述及。融合算法如下: 8 10HD0 .一0Dot二rJnCOOer J.. l I I —Robotl EKF 得出m,满足:dm-mirldi =1 800 ‘--・-一Robot2 EKF I 得出后,满足: 一 (6) d=fdk+dm)/2 6=(dk・bk+dm・bm)/( + ) 式中参数 衡量是否有两个传感器同时检测到 R2.k的缺省值为m,d和b分别是融合后得到的相 对距离和方位角。 3.3扩展卡尔曼滤波 机器人的运动方程式(3)和观测方程式(5) 都是非线性函数.所以应该采用扩展卡尔曼滤波 来进行自身位姿信息和相对观测信息的融合。 EKF需要对非线性系统进行线性化处理,即求解 各个方程的雅可比(Jacobian)矩阵: : , )/ON ,W , )/ou ̄ H ̄=Oh( , )/c ̄X . 由EKF的基本方程 来推导机器人i的合作定 位算法: X i -厂( ) +1l = ・ 】 ・ + ・Q・ z= ( ( ) xq) I ) = +ll ・H ・(H…T・ +ll ・H +R) X +l  Ik+l= +l I +K・(z-z) +l =(1一K・日 )・ 川 其中前三步是预测。后三步利用观测量进行更 新。Q、R分别为码盘误差和观测误差的方差,初 始状态和协方差已知。 4 算法仿真与验证 为验证合作定位算法.进行以下仿真实验。 在仿真的每一步中,机器人1沿着l,轴方向前进 2 cm.机器人2沿着 轴方向同样前进2 om,如 此进行500步仿真。机器人每前进10 om,进行一 次相对位置观测,对于相对距离的误差,取o-j= (0.04m)z,相对方位角取Or2_(O.087rad)。。码盘测 量误差存在一10 dB的高斯白噪声,EKF初始值 600 40HD 200 .一:’ 0 一200 0 20o 400 60o 800 1O00 1200 1400 x/cm 图6机器人运动轨迹 Fig.6 Motion trajectory of robot I一一Robotl EncoderI 1.一・Robot2 EncoderI , ∞ 踟 I Robotl∞如 EKF 加如 m O ●J ,・ ,● g ●t ● :}{{】j , , It t’ , 。 l^  i’ ’ , ,, { 々吩 。 0 200 400 600 800 1000 12O0 仿真步数/步 图7机器人定位误差对比 Fig.7 Contrast of robot’s localization elTor 从仿真结果可以看出,码盘定位的误差不断 累积.合作定位可以通过相对观测信息削减这一 误差。提高定位精度。 和文献[4’s 提出的合作定位技术相比,本文采 用了更完善的机器人运动模型,融合算法上选用 了较为通用的EKF算法,融合信息则同时采用了 码盘信息、相对距离以及相对方位信息。在相近 的传感器精度假设下,本定位算法可以减少65% 以上的定位误差.而文献[4Is]的各个算法的效果约 为45%和55%,可见本文算法具有更大的应用价 值。 5 结论 实验结果表明,通过两级传感器融合实现的 第2期 刘显荣.传感器融合在多机器人合作定位中的应用 281 合作定位能够得到比机器人独立定位更加精确、 A Martinelli,F Pont,R Siegwart.Multi—robot localization 稳定的定位信息,下一步工作是将定位算法在 using relative observations[C]/P/roceedings of the IEEE AmigoBot机器人上实现。合作定位的优势在于: International Confel'ence on Robotics and Automation, 机器人之间可以彼此交换位置信息,分享不同类 Barcelona:[s.n.],2005,2808—2813. 王玲,刘云辉,万建伟,等 基于相对方位的多机器人合 型的传感器信息,每个机器人都能利用这些信息 作定位算法[J].传感技术学报,2007,20(4):794—799. 获得更精确的位置。从而提高整个系统的环境探 A Howard,M J Matark,G S Sukhatme.Localization for 测能力和协作能力。当然,合作定位也增加了系 mobile robot teams using maximum likelihood estimation 统的复杂性,但这一新的研究领域.在未来的多 [C]/P/roceedings of the IEEE/RSJ International Confer- 机器人环境探测、编队协作等智能机器人系统中 ence on Intelligent Robots and System,Beijing:[s.n.], 必将得到很好的应用。 2002.434-439. D Fox,W Burgard,H Kruppa et az.A probabilistic印一 参考文献: proach to collaborative multi-orbot localization[J].Au- tonomous Robots,2oo0,8(3):325—344. [1]蔡自兴,贺汉根,陈虹.未知环境中移动机器人导航控 S I Roumeliotis.G A Bekey.Distirbuted multi—robot lo- 制理论与方法[] M].北京:] 科学出版社,] 2009,498. ] ] calizati] on『J].IEEE Transact] ion on Robotics and Au. [2] A Howard,M J Matark,G S Sukhatme.Cooperative rela— tomation,2002,18(5):781-795. tive localization for mobile robot teams:an ego—centric 邵金鑫.基于多传感器融合的多机器人合作定位技术 approach[C]//Proceedings of Naval Research Laboratory 研究[D].长沙:国防科技大学,2006. Workshop on Multi・Robot Systems,Washington:[s.n.], 付梦印,邓志红,张继伟.Kalman滤波理论及其在导航 2003。65—76. 系统中的应用[M].北京:科学出版社,2003,79. (.Y-4 ̄第276页) 零部件的参数化设计,同时利用动态链接库实现 [2] 王晓丽,季忠.SolidWorks的二次开发方法比较[J].现 与系统的无缝集成,操作简单,作为一种创新的 代制造技术与装备,2006,(2):50—55. 设计,将改变传统车辆转向架设计的模式。 [3] 李权才,吴俊峰.武翠荣.基于SolidWorks平台对大型 架桥机的二次开发技术[J].中国水运,2008(1):41-43. [4] 江洪,李仲兴,刑启恩.SolidWorks二次开发基础与实 参考文献: 例教程[M].北京:电子工业出版社,2003. [1]姜士湖,闰相祯.虚拟样机技术及其在国内的应用前 [5] 何岸杨,SolidWorks二次开发方法研究[J].科技信息, 景[J].机械2003,2:5-8. 2007,28:69—70. 

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