胡天林 林 春 李繼芳 葉添杰 陳 前 李 艷 魏 聞 黃元慶

（廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建廈門，361005）

基于多傳感器信息系統(tǒng)的三輪全向機(jī)器人的研究

胡天林 林 春 李繼芳 葉添杰 陳 前 李 艷 魏 聞 黃元慶

（廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建廈門，361005）

本文介紹基于多傳感器信息系統(tǒng)的三輪全向機(jī)器人的研究，建立了機(jī)器人三輪全向移動(dòng)模型，底盤的三個(gè)全向輪呈120。分布，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在二維平面內(nèi)的任意方向移動(dòng)；設(shè)計(jì)了多傳感器信息系統(tǒng)，通過(guò)陀螺儀實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的位姿信息獲取，通過(guò)雙編碼器的正交模型實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的位移信息獲取，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的甄別，最后給出機(jī)器人識(shí)別籃球的案例實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

機(jī)器人，陀螺儀，編碼器，機(jī)器視覺(jué)

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型與傳感器信息獲取是研究移動(dòng)機(jī)器人的兩個(gè)重要問(wèn)題。關(guān)于移動(dòng)平臺(tái)行進(jìn)的方案，常見的有輪式、腿足式、履帶式等。腿足式常見于仿人機(jī)器人，行進(jìn)速度一般；履帶式機(jī)器人著地面積大，行進(jìn)穩(wěn)定，但靈活性不足；輪式機(jī)器人移動(dòng)靈活，但越野爬坡性能一般。不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的底盤具有各自的特點(diǎn)，本文僅對(duì)輪式機(jī)器人的底盤設(shè)計(jì)作探討。

輪式機(jī)器人根據(jù)是否存在迂回半徑分為全向和非全向方式[1]。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人底盤采用全向方式。每個(gè)輪子具有兩個(gè)移動(dòng)方向的自由度，三輪結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在二維平面內(nèi)任意方向的靈活移動(dòng)。

移動(dòng)機(jī)器人的自身定位是提高移動(dòng)機(jī)器人自主能力的關(guān)鍵問(wèn)題之一[2]。在大部分環(huán)境中，機(jī)器人須完全通過(guò)自身的傳感器系統(tǒng)感知環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)自身定位。機(jī)器人的定位方式包括：通過(guò)編碼器獲取里程信息；通過(guò)超聲波傳感器獲取障礙信息；通過(guò)線陣激光傳感器掃描獲取深度信息；通過(guò)機(jī)器視覺(jué)甄別目標(biāo)物體等。本文采用機(jī)器視覺(jué)方案識(shí)別目標(biāo)物，通過(guò)陀螺儀與編碼器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的位移及位姿數(shù)據(jù)的采集。

1 三輪全向移動(dòng)機(jī)器人的底盤設(shè)計(jì)

1.1 底盤模型

每個(gè)全向輪由若干個(gè)小滾輪組成，各個(gè)滾輪的母線形成一個(gè)完整的圓周。機(jī)器人既可以沿輪面的切線方向移動(dòng)，也可以沿輪子的軸線方向移動(dòng)。輪子的運(yùn)動(dòng)是這兩種運(yùn)動(dòng)的合成，從而實(shí)現(xiàn)任意方向的運(yùn)動(dòng)。

底盤輪子裝配模型如圖1所示，三個(gè)輪子互成120。，相對(duì)于車體中軸線對(duì)稱。在理想情況下，三個(gè)輪子的物理尺寸、重量完全一致，上層負(fù)載均衡。三個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的交點(diǎn)與移動(dòng)機(jī)器人的重心相重合。

圖1 全向輪裝配模型

圖2 運(yùn)動(dòng)模型

將以上方程寫成矩陣形式，得到：

則式（4）可簡(jiǎn)寫為：

2 傳感器信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的傳感器系統(tǒng)由陀螺儀、編碼器、攝像頭等硬件組成。

2.1 陀螺儀

陀螺儀是一種在航空航天方面應(yīng)用非常廣泛的傳感器，主要用來(lái)測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的角速度，以判別物體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及控制運(yùn)動(dòng)軌跡[5]。通過(guò)陀螺儀來(lái)直接獲取角加速度，加以積分可得到機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)角度。

本文采用數(shù)字陀螺儀ADS16135，測(cè)量范圍為300/s，帶寬335Hz，具有噪聲密度低、可自初始化等特點(diǎn)。通過(guò)SPI通信協(xié)議降低主控的任務(wù)開支。

2.2 編碼器

在底盤上安裝兩個(gè)從動(dòng)輪，對(duì)應(yīng)裝配兩個(gè)編碼器。從動(dòng)輪與編碼器機(jī)械同軸。如圖3所示，編碼器的軸向成正交，假定機(jī)器人的系統(tǒng)中心O在編碼器E1的軸線方向延長(zhǎng)線上。機(jī)器人的移動(dòng)存在基本平移、旋轉(zhuǎn)平移、自旋轉(zhuǎn)等三種情況[6]。

圖3 雙編碼器正交模型

圖4 基本平移模型

2.2.1 基本平移模型

在上述情況下，認(rèn)為機(jī)器人只有簡(jiǎn)單平移、未發(fā)生任何旋轉(zhuǎn)，如圖4所示。

則在（t1-t0）時(shí)間內(nèi)，機(jī)器人移動(dòng)的坐標(biāo)為

由于

式7可整理得到：

其中

2.2.2 平移旋轉(zhuǎn)模型

與基本平移相比，平移旋轉(zhuǎn)模型中機(jī)器人不僅發(fā)生了平移，同時(shí)發(fā)生了一定角度的旋轉(zhuǎn)。假設(shè)旋轉(zhuǎn)角度為γ，

因此有

其中

2.2.3 自旋轉(zhuǎn)模型

在此情況下，機(jī)器人繞其系統(tǒng)中心原地旋轉(zhuǎn)，未發(fā)生任何平移，如圖5所示。

圖5 自旋轉(zhuǎn)模型

碼盤E2具有同樣的旋轉(zhuǎn)模型（略）。

2.3 機(jī)器人視覺(jué)方案設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺(jué)是機(jī)器人中的關(guān)鍵技術(shù)之一。機(jī)器視覺(jué)包括照明、圖像采集及視覺(jué)算法，是多學(xué)科交叉的技術(shù)[7]。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人參加國(guó)際智慧機(jī)器人大賽，其任務(wù)要求之一即為尋找籃球場(chǎng)上的紅色籃球。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，籃球的特征明顯、整體性強(qiáng)，對(duì)硬件沒(méi)有過(guò)高的要求。因此，考慮到性價(jià)比，方案采用一般攝像頭。圖像處理軟件為L(zhǎng)abview NI vision。

圖6 復(fù)雜背景中的籃球

圖7 單通道灰度圖

圖8 閾值分割

圖9 按面積特征提取目標(biāo)信息

圖10 膨脹后的目標(biāo)特征

圖11 坐標(biāo)擬合

圖6 為攝像頭采集回來(lái)的原圖片。圖片背景復(fù)雜，有暖氣片、行人、置球座等信息。此圖片為彩色模式。

圖7為單通道圖片。原圖片是三通道的彩色圖片，對(duì)其分解得到其中特征較為明顯的紅色分量的單通道圖片，為下一步的灰度閾值分割做好準(zhǔn)備。

圖8為閾值分割后的特征信息。對(duì)圖片7求出灰度直方圖，得到合理閾值；通過(guò)此閾值進(jìn)行圖片分割；分割后，除了籃球特征信息，還包括相同灰度值范圍的其他噪點(diǎn)信息。

圖9為通過(guò)面積特征濾波后的圖片。由于籃球區(qū)域面積很大，幾乎將其他其余信息全部過(guò)濾。

圖10為膨脹后的興趣區(qū)域。經(jīng)過(guò)區(qū)域膨脹后，籃球所有區(qū)域都連通。

圖11為擬合后的圖片。通過(guò)坐標(biāo)擬合，得到籃球中心在攝像頭視野坐標(biāo)系中的位置。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于多傳感器信息系統(tǒng)的三輪全向機(jī)器人。通過(guò)對(duì)三輪全向移動(dòng)的模型建立，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意方向的運(yùn)動(dòng)控制；通過(guò)陀螺儀、雙正交編碼器的傳感器系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在空間坐標(biāo)系中的自定位；通過(guò)機(jī)器視覺(jué)甄別目標(biāo)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的主動(dòng)定位。

圖12 機(jī)器人連續(xù)完成2次投籃動(dòng)作

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人榮獲2013全國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup籃球項(xiàng)目組冠軍、2013國(guó)際（臺(tái)北）智慧機(jī)器人大賽季軍。

[1]姚冬冬，閔華松．三輪全向移動(dòng)機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013，34(6):2163-2169．

[2]陳小寧，黃玉清，楊佳．多傳感器信息融合在移動(dòng)機(jī)器人定位中的應(yīng)用[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(6):110-113．

[3] Oliveira H P, Sousa A J, Moreiara A P, Costa P J. Dynamical Models for Omni-directional Robots with 3 and 4 Wheels [J].International Conference on Informaticsa in Control,Automation and Robotics,2008:189-196．

[4]牟學(xué)剛，朱 勁，蔣 平．三輪全向足球機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)模型研究[J]．機(jī)械與電子，2006(5):38-41．

[5]程燕勝，宗群，吳宏碩．基于ARM+FPGA的微陀螺儀數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng) [J]．傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(8):75-77．

[6]宋靜．基于磁強(qiáng)計(jì)、加速度計(jì)和陀螺原理的姿態(tài)測(cè)試算法研究 [M]．太原：中北大學(xué)，2011．

[7] Steger C，Ulrich M，Wiedemann C．機(jī)器視覺(jué)算法及應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)，2008．