崔明月， 劉旭焱， 蔣華龍， 劉紅釗

(南陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，河南 南陽 473061)

0 引言

近年來，自主輪式移動(dòng)機(jī)器人由于其廣泛的應(yīng)用前景而成為國際機(jī)器人學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)[1]。自主移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主移動(dòng)的必要條件，而其導(dǎo)航需要解決“定位”、“運(yùn)動(dòng)目標(biāo)”、“路徑規(guī)劃”[2]，其中定位是后兩者的前提和基礎(chǔ)。目前，常用的定位方法主要有里程定位法以及視覺系統(tǒng)，前者一般采用光電編碼器測量機(jī)器人里程;后者則采用視覺系統(tǒng)對(duì)場地中的位置進(jìn)行全局定位[3]。由于土質(zhì)疏松、地面結(jié)冰、快速轉(zhuǎn)彎等因素的影響，會(huì)使機(jī)器人輪子產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，這種情況下里程計(jì)的編碼器信息變得很不可靠，從而產(chǎn)生里程測量誤差，這種誤差積累對(duì)機(jī)器人定位影響十分嚴(yán)重[4]，而視覺系統(tǒng)定位法只適用于機(jī)器人靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)定位，但在運(yùn)動(dòng)時(shí)很難及時(shí)、準(zhǔn)確地反饋機(jī)器人在工作環(huán)境中的實(shí)際位置[5]。

磁導(dǎo)航是以磁條或磁道釘作為信號(hào)源，利用移動(dòng)機(jī)器人所載的磁傳感器檢測磁條或磁道釘?shù)拇艌鲂畔?，確定機(jī)器人的位置以及實(shí)際位姿。磁導(dǎo)航具有較高的測量精度及良好的重復(fù)性，不易受天氣情況以及光線變化的影響，具有較高的可靠性和魯棒性[6-8]。射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其原理是利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的自動(dòng)識(shí)別[9-12]。由于RFID具有非接觸、價(jià)格低廉、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)機(jī)器人定位中得到了廣泛應(yīng)用[13-14]。

綜合磁導(dǎo)航系統(tǒng)與RFID定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種磁導(dǎo)航和RFID技術(shù)相結(jié)合的檢測輪式移動(dòng)機(jī)器人里程方法，機(jī)器人每移動(dòng)一段距離就通過RFID標(biāo)簽對(duì)磁導(dǎo)航系統(tǒng)測得的里程進(jìn)行校正，能夠在一定程度上解決機(jī)器人光電碼盤里程計(jì)誤差積累的問題。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)器人的車頭與車尾各有一排磁傳感器，每排安裝8個(gè)，呈均勻分布，軸線與機(jī)器人前進(jìn)方向相垂直;另外，RFID讀寫器安裝于機(jī)器人車體前端靠右的位置。

圖1 磁導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

磁條鋪設(shè)時(shí)，要保證磁條之間具有穩(wěn)定的無磁場區(qū)域，前后兩排磁傳感器組能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地檢測到此無磁場區(qū)域。數(shù)據(jù)采集卡將磁傳感器檢測到的位置信息通過RS232數(shù)據(jù)線傳給數(shù)據(jù)處理器，計(jì)算出當(dāng)前的里程。由于本文提出的方法是通過記錄磁條之間的無磁場區(qū)域個(gè)數(shù)來計(jì)算里程，所以輪子打滑對(duì)記錄無磁場區(qū)域個(gè)數(shù)影響較小。

在里程計(jì)算過程中，所得里程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度會(huì)隨著積累誤差的增加而降低，所以需在機(jī)器人行進(jìn)的路線上，相隔一定距離L安置RFID標(biāo)簽來對(duì)當(dāng)前里程進(jìn)行校正，并在標(biāo)簽中存入當(dāng)前的里程基準(zhǔn)值s0。當(dāng)機(jī)器人讀取到RFID標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)時(shí)，更新當(dāng)前的里程基準(zhǔn)值s0，然后將計(jì)數(shù)器清零重新記錄磁傳感器組檢測的無磁場區(qū)域次數(shù)。

1.1 磁傳感器安裝方式

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端由16個(gè)磁傳感器組成，磁傳感器距離地面的高度為H，同一排磁傳感器之間的間隔為c，如圖2所示。通過c以及H來保證同一排的8個(gè)磁傳感器至少有2個(gè)能探測到磁場，避免磁傳感器產(chǎn)生漏讀現(xiàn)象。

圖2 傳感器安裝示意圖

1.2 磁條鋪設(shè)方式

計(jì)算出長度為A的磁條的磁場空間范圍[15]，據(jù)此確定相鄰磁條之間的間隔W，以保證2個(gè)磁條之間有穩(wěn)定的無磁場區(qū)域，從而確保機(jī)器人在行進(jìn)過程中能準(zhǔn)確地獲取磁場空白區(qū)域的個(gè)數(shù)，磁條的鋪設(shè)方式如圖3所示。

圖3 磁條鋪設(shè)方式示意圖

1.3 RFID標(biāo)簽安裝與預(yù)置

1.3.1 RFID 標(biāo)簽安裝方式

RFID標(biāo)簽位置分布如圖4所示。RFID標(biāo)簽距磁條的垂直距離為L1，相鄰RFID標(biāo)簽之間距離為L2。

圖4 RFID標(biāo)簽安裝圖

1.3.2 RFID 標(biāo)簽的預(yù)置

RFID標(biāo)簽分為左轉(zhuǎn)彎標(biāo)簽、右轉(zhuǎn)彎標(biāo)簽和里程標(biāo)簽。其中，左轉(zhuǎn)彎標(biāo)簽和右轉(zhuǎn)彎標(biāo)簽既提供轉(zhuǎn)彎信息又提供里程信息，里程標(biāo)簽只提供當(dāng)前的里程信息，如:里程標(biāo)簽MMMMxxxx，左轉(zhuǎn)彎標(biāo)簽LL01xxxx，右轉(zhuǎn)彎標(biāo)簽 RR02xxxx，“MMMM”為里程標(biāo)簽標(biāo)志位;“LL01”為左轉(zhuǎn)彎標(biāo)簽標(biāo)志位;“RR02”為右轉(zhuǎn)彎標(biāo)簽標(biāo)志位;“xxxx”為當(dāng)前的里程信息。一旦RFID讀寫器讀到標(biāo)簽信息，數(shù)據(jù)處理器就對(duì)該信息進(jìn)行解析以確定機(jī)器人的當(dāng)前里程。

1.4 機(jī)器人轉(zhuǎn)彎信息的設(shè)置

機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎方式有圓弧轉(zhuǎn)彎和原地轉(zhuǎn)彎兩種方式，其中圓弧轉(zhuǎn)彎方式對(duì)于一些空間狹小空間內(nèi)的輪式移動(dòng)機(jī)器人非常困難[16]，因此本文采用原地轉(zhuǎn)彎的方式，原地轉(zhuǎn)彎方式不僅可以節(jié)約硬件成本而且能夠降低軟件編寫難度。為保證準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取轉(zhuǎn)彎信息以及機(jī)器人位姿，轉(zhuǎn)彎信息由彎標(biāo)簽和磁條共同提供。具體地說，如果數(shù)據(jù)處理器接收到轉(zhuǎn)彎RFID標(biāo)簽的轉(zhuǎn)彎信息同時(shí)又接收到前排磁傳感器組發(fā)送的信號(hào)，才能夠發(fā)送轉(zhuǎn)彎指令進(jìn)行轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)彎處的磁條與FRID標(biāo)簽安裝方式如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)彎標(biāo)志設(shè)置圖

圖5中，b為機(jī)器人機(jī)車體寬度的1/2，能夠保證移動(dòng)機(jī)器人原地轉(zhuǎn)彎1/4圓周后，機(jī)器人車體的中軸線剛好與鋪設(shè)了磁條的線路重合;k1、k2分別為機(jī)器人原地轉(zhuǎn)彎后，前后排磁傳感器組所處位置;a為k1處至轉(zhuǎn)彎前磁條中心線的距離。機(jī)器人完成轉(zhuǎn)彎之后，軟件系統(tǒng)要在轉(zhuǎn)彎之前的里程數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，再加上b和a的長度。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由初始化模塊、RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)采集模塊、RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理模塊、磁導(dǎo)航系統(tǒng)里程計(jì)算模塊組成，在運(yùn)行完各個(gè)軟件模塊之后，要停止讀取RFID標(biāo)簽信息和磁傳感器信息一段時(shí)間t，防止多次檢測到同一個(gè)標(biāo)簽和同一個(gè)位置的磁條間磁場空白區(qū)域，軟件流程如圖6所示。

2.2 初始化模塊軟件設(shè)計(jì)

磁導(dǎo)航系統(tǒng)啟動(dòng)后，如果前后磁傳感器組檢測不到磁場，可使機(jī)器人前后短距離移動(dòng)，直到前后排磁傳感器組都能檢測到磁場為止。然后啟動(dòng)RFID讀寫器，同時(shí)將里程基準(zhǔn)值s0、前后排磁傳感器組計(jì)數(shù)器N1、N2清零，初始化模塊軟件流程如圖7所示。

圖6 軟件系統(tǒng)圖

圖7 初始化模塊軟件流程圖

2.3 RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)采集模塊

RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)采集模塊軟件流程如圖8所示。RFID讀寫器啟動(dòng)之后，對(duì)RFID讀寫器參數(shù)初始化，并將RFID數(shù)據(jù)端口與數(shù)據(jù)處理器連接，讀取RFID標(biāo)簽信息，并將得到的RFID標(biāo)簽信息傳送給RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理模塊。

圖8 RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)采集模塊軟件流程圖

2.4 RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理模塊

RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理模塊軟件流程如圖9所示。RFID讀寫器讀取到里程標(biāo)簽或者轉(zhuǎn)彎標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息后，數(shù)據(jù)處理模塊開始解析RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息，更新里程基準(zhǔn)值s0，重新記錄前后排磁傳感器組檢測到的無磁場區(qū)域次數(shù)，并設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)彎信號(hào)標(biāo)志位TR，當(dāng)標(biāo)簽為里程標(biāo)簽則TR置0，若為左轉(zhuǎn)彎標(biāo)簽則置TR為01;為右轉(zhuǎn)彎標(biāo)簽則置TR為02。

2.5 磁導(dǎo)航系統(tǒng)里程計(jì)算模塊軟件設(shè)計(jì)

2.5.1 移動(dòng)機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的里程計(jì)算

圖9 RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理模塊軟件流程圖

在機(jī)器人沿直線前行時(shí)，如果前排磁傳感器組沒有檢測到磁場，則前排磁傳感器組的計(jì)數(shù)器就加1，并記錄前排磁傳感器組檢測到無磁場區(qū)域次數(shù)N1;如果后排磁傳感器組沒能檢測到磁場，后排磁傳感器組的計(jì)數(shù)器就加1，并記錄后排磁傳感器組檢測到無磁場區(qū)域次數(shù)N2;如果后排磁傳感器組能檢測到磁場，則機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)。以RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理模塊所得的里程基準(zhǔn)值s0為基礎(chǔ)，按下式計(jì)算當(dāng)前里程s:

2.5.2 自主輪式移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)的里程計(jì)算

機(jī)器人沿著鋪設(shè)了磁條的線路行進(jìn)時(shí)，如果前排磁傳感器組檢測到磁場，則需進(jìn)一步判斷是否有3個(gè)以上的磁傳感器檢測到了磁場，并且轉(zhuǎn)彎RFID標(biāo)簽轉(zhuǎn)彎標(biāo)志位TR是否為0，轉(zhuǎn)彎條件滿足，則機(jī)器人開始轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。以RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理模塊所得的里程基準(zhǔn)值s0為基礎(chǔ)，按下式計(jì)算轉(zhuǎn)彎之后的里程，

機(jī)器人里程計(jì)算模塊軟件流程如圖10所示。

3 系統(tǒng)性能測試

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)里程檢測方法的有效性和可靠性，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)場地如圖11所示，機(jī)器人的前進(jìn)速度為0.4 m/s;數(shù)據(jù)采集選用研華PCI-1723數(shù)據(jù)采集卡，采集數(shù)據(jù)的頻率為100 Hz;數(shù)據(jù)處理器選用研華ARK-5280型工控機(jī);RFID讀寫器采用芯聯(lián)公司的M5e讀寫模塊和金屬型RFID標(biāo)簽，數(shù)據(jù)讀取周期為20 ms;磁條磁場強(qiáng)度為0.36 T，規(guī)格為5 mm×5 mm×50 mm;磁傳感器間隔a設(shè)定為60 mm;磁條鋪設(shè)間距W為120 mm。為使機(jī)器人輪子容易打滑，在路面上放置薄冰塊與松軟河沙。

圖10 機(jī)器人里程計(jì)算模塊軟件流程圖

圖11 實(shí)驗(yàn)場地示意圖

圖11 中，b1=40 m，b2=14 m，b3=30 m，b4=12 m，機(jī)器人里程的理論值可由下式計(jì)算:

式中:y為機(jī)器人位移;v為機(jī)器人前進(jìn)速度;t為機(jī)器人運(yùn)行時(shí)間;t1，t2，t3，t4，t5為機(jī)器人車輪的打滑時(shí)間。將里程理論值、本文方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果與光碼盤里程計(jì)測量結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖12所示。

利用實(shí)驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)通過下式計(jì)算光碼盤里程計(jì)、本文方法在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)相對(duì)于理論值的平均相對(duì)誤差:

圖12 試結(jié)果對(duì)比圖

式中:δ為計(jì)時(shí)時(shí)間段內(nèi)的平均相對(duì)誤差;yi為1 s時(shí)間段內(nèi)的理論值;xi為1 s時(shí)間段內(nèi)光碼盤里程計(jì)測試結(jié)果。δ的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果、光碼盤里程計(jì)結(jié)果相對(duì)理論值的δ

由圖12與表2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文所設(shè)計(jì)的基于磁導(dǎo)航與RFID技術(shù)的綜合里程測量方法，對(duì)克服傳統(tǒng)光碼盤里程計(jì)因輪子打滑以及積累誤差的增加而導(dǎo)致的準(zhǔn)確度降低是有效的，也是切實(shí)可行的。

4 結(jié)語

本文通過磁導(dǎo)航系統(tǒng)與RFID技術(shù)相結(jié)合，提出了一種在磁導(dǎo)航輪式移動(dòng)機(jī)器人上計(jì)算磁導(dǎo)航自主輪式機(jī)器人里程的新方法。該方法可用于磁導(dǎo)航自主輪式移動(dòng)機(jī)器人在戶外場景下的里程計(jì)算，降低了其里程計(jì)算的軟硬件成本，能夠克服光碼盤里程計(jì)因輪子打滑、積累誤差的增加導(dǎo)致的準(zhǔn)確度降低等缺陷。

[1] 徐國華，譚 民.移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001(3):7-14.XU Guo-hua，TAN Min.The development status and future trend of mobile robot[J].Robot Technique and Application，2001(3):7-14.

[2] Durrant Whyte H F.Where am I－A tutorial on mobile vehicle localization[J].Industrial Robot，1994，21(2):11-16.

[3] Jorge Angeles，宋偉剛.機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)原理理論、方法論和算法[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4] Shekhar S.Wheel rolling constraints and slip in mobile robots[C]//Proceedings of the 1997 IEEE International Conference on Robotics and Automation，1997:2601-2607.

[5] 張學(xué)民，陳西平，宋述穩(wěn).基于光電傳感器的移動(dòng)機(jī)器人局部定位系統(tǒng)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23(3):8-10.ZHANG Xue-min， CHEN Xi-ping， SONG Shu-wen. Local Positioning System for Mobile Robot Based on Photoelectric Sensor[J].Development＆Innovation of Machinery ＆ Electrical Products，2010，23(3):8-10.

[6] 徐海貴，王春香，楊汝清，等.磁傳感系統(tǒng)在室外移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中的研究[J].機(jī)器人，2007，29(1):61-66.XUE Hai-gui， WANG Chun-xiang， YANG Ru-qing， et al. A Magnetic Sensing System for Outdoor Mobile Robot Navigation [J].Robot，2007，29(1):61-66.

[7] 朱從民，黃玉美，馬斌良，等.慣性導(dǎo)航自動(dòng)引導(dǎo)車磁釘校正路徑迭代學(xué)習(xí)方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40(7):41-44.ZHU Cong-min，HUANG Yue-mei，MA Bin-liang，et al.Path Iterative Learning of Inertial Guided AGV with Magnets Correction[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2009，40(7):41-44.

[8] 韓金華，王立權(quán)，孟慶鑫.護(hù)士助手機(jī)器人磁導(dǎo)航方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30(4):834-839.HAN Jin-hua，WANG Li-quan，MENG Qing-xin.Study on magnetic navigation for nurse assistant robot[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2009，30(4):834-839.

[9] 游戰(zhàn)清，李蘇劍.無線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[10] 劉衛(wèi)寧，黃文雷，孫棣華，等.基于射頻識(shí)別的離散制造業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2007，13(10):1887-1890.LIU Wei-ning，HUANG Wen-lei，SUN Di-hua，et al.Design and implementation of discrete manufacturing industry MES based on RFID technology[J].Computer Integrated Manufacturing Systems，2007，13(10):1887-1890.

[11] 李 崑，王 東.基于射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)的航空物流模型[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006 25(9):1056-1058.LI Kun，WANG Dong.Systems Architecture for Aviation Based on RFID[J].Research and Exploration in Laboratory，2006，25(9):1056-1058.

[12] 李維敏.RFID技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)儀器管理中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007，26(9):47-49.LIWei-min.Application ofRFID Technology to Instrument Management System in Universities[J].Research and Exploration in Laboratory，2007，26(9):47-49.

[13] 王殿君，蘭云峰，任福君等.基于有源RFID的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人定位系統(tǒng)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，50(5):673-676.WANG Dian-jun， LAN Yun-feng，REN Fu-jun，et al. Indoor mobile-robot localization system based on active RFID[J].Journal of Tsinghua University(Science＆ Technology)，2010，50(5):673-676.

[14] 王中云.基于RFID的機(jī)器人控制與定位系統(tǒng)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2007.

[15] 王明勇，郎志堅(jiān)，李國軍.方形磁體的空間分布[J].磁性材料及器件，2001(3):17-20.WANG Ming-yong， LANG Zhi-jian， LI Guo-jun. The Spacial Magnetic Field Distribution of Square Magnet[J].Journal of Magnetic Materal Devices，2001(3):17-20.

[16] 周海寶.輪式機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的新設(shè)計(jì)[J].機(jī)械，1999，26(4):F002-F002.ZHOU Hai-bao.A new design of wheeled robot steering mechanism[J].Journal of Machinery，1999，26(4):F002-F002.