基于光斑室內移動機器人的定位導航技術

方青松 ，朱國魂 ，歐勇盛

（1.桂林電子科技大學 電子工程及自動化學院，廣西 桂林541004；2.中國科學院深圳先進技術研究院，廣東 深圳518055）

近年來，伴隨著家庭服務機器人的不斷發展，關于機器人的室內定位與導航技術也越來越受大家重視。本文提出了基于光斑的定位導航技術的一個移動機器人。該機器人體積小、機動性強，在有限的空間內具有強大的電子工具和良好的可操作性。且機器人能源效率高，不會在同一個地方來回重復移動，保證了長時間工作不需要充電。目的是使機器人便于商業化，使普通消費者都能負擔得起。

室內移動機器人的定位導航技術是室內移動機器人領域的一個研究熱點。在相關文獻和技術研究中，定位與導航技術是移動機器人實現智能化和完全自主移動的關鍵。對定位與導航技術的研究，其目的在于使移動機器人在無人干預的條件下沿規劃的任意路徑移動并完成指定的任務。現有移動機器人常用的導航方法有慣性導航、視覺導航、基于傳感器數據導航、衛星導航等以及它們的組合。如參考文獻[1]中提出了一種基于視覺的機器人室內定位導航方法；參考文獻[2-3]提出了基于全景視覺的機器人自主定位方法；參考文獻[4]設計了機器人地板處理器的RFID導航系統。

上述技術方法同時也存在如下缺點：(1)基于安裝路標的方法，路標常常放置于地面上，容易被周圍過往的其他機器人所干擾，也容易人為損壞；(2)一些簡單的路標雖然圖像處理簡單，但是不具備糾錯性，而一些復雜路標雖然具有完整數據糾錯性，但是圖案過于復雜，運算復雜度高，對攝像頭要求也較高，實時性差；(3)一些基于路標的方法，只能沿已鋪設的路徑運動，路徑改變困難，不能實現真正意義上的自主化，不容易擴展到大環境下的機器人室內定位導航；(4)基于攝像頭直接拍攝機器人進行定位的方法，對攝像頭的安裝有較高要求，而且在不復雜背景情況下，要想實現準確的檢測通常較為麻煩；(5)直接采用激光或者超聲陣列的方法，結構復雜，成本相對過高。

本文描述的室內移動機器人采用兩束紅外光打在天花板上產生的兩個光斑實現絕對定位。此定位技術對移動機器人進行定位，定位誤差不積累，定位精度較高；且無需在地面上鋪設任何導航用標識物，對移動機器人的工作環境無特殊要求，路徑規劃靈活。該定位與導航技術對機器人本體的顏色、大小、形狀無特殊要求，對室內地面色彩無特殊要求，具備定位算法簡單、運算復雜度小、定位準確、抗干擾能力強的優點，非常適合應用于掃地、監控、娛樂等家庭服務。

1 室內移動機器人

1.1 機器人結構

如圖1所示，室內移動機器人采用傳統的兩輪驅動結構，包括車體、兩個車輪（帶電機）、一個萬向輪、小型驅動控制板、一個紅外激光發射器、一個超聲波探測器、紅外接收器、無線串口通信模塊、供電模塊。其中，紅外激光發射器外部裝一個特制分光罩，如圖2所示，分光罩可以射出兩束光并在天花板上產生兩個光斑，而這兩個光斑是肉眼看不見的。

1.2 充電站結構

充電站由機械本體、導電線、紅外發射器、紅外攝像頭、小型計算機構成。充電站安裝于房間中間或一角，接通220 V家用電源。其中，紅外攝像頭采用普通CMOS廣角攝像頭外加紅外濾波片構成；紅外攝像頭以能拍攝到大部分天花板的角度安放，鏡頭通過畸變校正，使得拍攝圖像點位置與實際空間點位置呈線性對應關系；通過調整濾光片的厚度，配合閾值分割算法，來確定紅外激光的反射斑點的位置；主機系統用于運行機器人定位、導航程序，通過無線串口模塊向機器人發送控制命令。

2 定位方法

機器人在室內移動時，發射的激光將在天花板形成兩個反射光斑。位于充電站的固定紅外攝像頭拍攝到天花板畫面，通過設置灰度閾值進行分割，提取出兩個反射光斑的位置[5-7]，如圖3所示。

兩個光斑的圖像坐標為(x1，y1)、(x2，y2)，依照投影公式：Q=M-1q，其中：

得到光斑在天花板的實際位置(X1，Y1)、(X2，Y2)。 上面公式中，q表示圖像點的坐標，Q表示空間點坐標，M為攝像頭參數矩陣。

在這里，由于小車上的激光發射裝置垂直安裝，光斑在天花板的實際位置和小車在室內的位置直接對應。機器人在室內的實際坐標位置(X，Y)可用(X1，Y1)、(X2，Y2)的中點表示：

設上一幀圖像檢測得到機器人在室內的實際坐標位置為(X′，Y′)，則機器人在兩幀之間運動的方向角α為：

由于激光發射器是對稱安裝于機器人左右兩側的，機器人當時的實際運動方向與(X1，Y1)、(X2，Y2)的連接線方向垂直，為：

依照機器人在兩幀之間運動的連續性，機器人當前時刻實際的運動方向角θ取與α夾角小于90°的那個方向，如圖4所示。

機器人當前時刻運動的速度V與旋轉的角速度ω分別近似為：

其中，t為兩幀的時間差，θ′為上一幀檢測到的實際方向角。

3 導航控制

機器人運行時，通過單片機實時檢測電力狀態。當電力不足時，導航系統開始控制機器人回到充電站進行充電。設充電站坐標為(X0，Y0)，則機器人當前運動方向θ與到充電站的方向β的夾角e為：

機器人的運動方向角θ、充電站方向角β與目標角e的示意圖如圖5所示。

機器人采用圖6所示流程躲避障礙物，并回到充電站。其中，控制機器人向充電站移動時，采用如下的控制方法，以減小偏角e且保持一定運動速度為控制目標，由PID控制算法，得到機器人的兩輪的控制目標速度VL和VR：

其中，P、D、I分別為比例、微分、積分控制參數，可依據經驗調節；w表示控制量；k為轉換系數，由小車的輪距、輪半徑等決定；V0為小車的基準速度，在距離充電站較遠的位置V0可以較大，在距離充電站較近的位置V0可以適當減小，從而實現與充電站平穩接觸，保持連接，進行充電。

4 實驗結果

經過多次實驗，實驗結果達到了預期要求，如圖7所示。通過紅外攝像頭捕捉，可以獲取機器人打在天花板上的兩個光斑，通過紅外攝像頭附近的計算機，并進行圖像灰度轉化，執行圖像分割，除去除了紅外光斑之外的所有其他東西，可以容易地知道機器人的位置和運動方向。在電腦中顯示了兩光斑的位置和運動方向。

本文將機器人原有的兩個紅外發射器改成了一個發射器，并達到了基于光斑室內移動機器人定位與導航技術的要求，這不僅節約能源而且降低了成本。本設計通過實驗驗證了基于光斑的室內移動機器人的定位與導航技術是可行的，雖然尚不完善有待改進，但完成了設計的基本任務要求，也為以后針對室內移動機器人的定位與導航研究提出了一個新的方向，為室內移動機器人的普及應用開辟了前景。

[1]章小兵，宋愛國，唐鴻儒.基于視覺的室內移動機器人精確定位方法[J].數據采集與處理，2007，22(2)：196-200.

[2]陸軍，穆海軍，朱齊丹，等.全景視覺在機器人自主定位中的應用[J].計算機應用，2007，27(7)：1677-1679.

[3]Chen Jinwu，Wen Shangtai.Location estimation for indoor autonomous vehicle navigation by omni-directional vision using circular landmarks on ceilings[J].Robotics and Autonomous System，2009，57(5)：546-555.

[4]S.C.約翰遜父子公司.用于機器人地板處理器的RFID導航系統[P].中國專利：101243367A.2006.6.27.

[5]天津理工大學.基于單個路標的視覺定位與導航方法[P].中國專利：101660908A.2009.9.11.

[6]西安理工大學.一種室內移動機器人導航定位系統[P].中國專利：201659565 U.2010.03.25.

[7]王志文，郭戈.移動機器人導航技術現狀與展望[J].機器人，2003(9)：470-474.

[8]鄭睿，原魁，李園.一種用于移動機器人室內定位與導航的二維碼[J].高技術通訊，2008(4)：369-376.