CN101551250A - 面向未知环境探索的移动机器人陆标动态配置方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于移动机器人探索未知环境的陆标动态配置方法及装置。陆标是机器人定位与导航的指示，在未知环境下不存在预先设置的陆标，也难以从环境中提取自然特征作为陆标，本发明解决上述问题的方案是：机器人自带可动态配置陆标进入未知环境进行探索，根据定位与建图的需要，自主在线动态配置陆标(通过车载投放装置实现，见摘要附图)，并利用配置的陆标完成机器人定位与环境建图。可动态配置陆标定位装置基于超声测距原理实现机器人定位，基于唯一身份方法实现陆标识别，基于射频通信实现数据交互，具有精度高、体积小、功耗低等优点。本发明可以应用于军事、反恐、极限环境作业等需要智能设备在未知环境下进行自主作业的领域。

Description

面向未知环境探索的移动机器人陆标动态配置方法及装置

1.技术领域

本发明涉及到智能控制、机器人、传感器、电子技术等内容，主要是为自主移动机器人完成未知环境探索提供一种辅助定位的方法和装置，使其能够以主动自主的方式高效地建立环境模型(即环境地图)。该方法的提出为自主智能系统能够依靠自身携带的传感装置独立地完成未知环境的探索提供了方法和工具支持，可以应用于军事、反恐、救援、探测等需要智能设备进入未知环境进行自主作业的领域。

2.背景技术

移动机器人由于具有可移动性，能够代替人到各种复杂或危险的环境中执行探险、探测以及各种操作任务。随着人类活动范围的不断扩展，移动机器人在星球探测、海洋开发、军事反恐、灾难救助、危险品处理等领域逐渐发挥出巨大的作用，而这些领域都存在着很大程度的不确定性，有的甚至是完全未知的新环境。为了探索未知环境并完成相应的作业任务，机器人必须能够在未知环境下自主导航，而可靠的定位是移动机器人导航的基础。机器人进入未知环境后，由于没有先验地图信息，如何利用传感信息确定自身在环境中的位置和姿态(位姿)，并且准确描述环境中的对象信息以建立环境地图，即同时定位与建图，是探索未知环境的关键问题，而建立未知环境的地图，则是探索未知环境的主要任务和目标。

已有的移动机器人定位方法大多是针对已知环境，基于先验地图信息，采用各种传感器识别环境中的预先设定的陆标(也称“路标”)，此时的主要问题在于陆标测量的准确性和陆标特征提取的正确性。而对于未知环境，已有的方法多假设环境中存在足够易于提取的自然特征，机器人进入环境后对这些特征进行测量与估计，并借助它们进行自身定位。然而，真正的未知环境中往往没有充足的易于提取的几何特征，因此现有方法并不可行。此外，已有定位方法大多存在着数据关联的难题，会影响定位的实时性和正确性，所谓数据关联，是指利用当前传感器探测到的m个观测值对地图中已经存在的n个陆标(特征)进行更新时，必须确定某一个观测值是否对应于某个已知陆标，或对应于一个新陆标，或者只是一个噪声数据。

传统的超声、激光测距传感器以及视觉传感器与相应的特征提取、数据关联方法相匹配，被普遍应用于移动机器人定位与建图中。近年来，射频识别(RFID)技术被引入到机器人定位应用，如英特尔公司的研究人员使用装备了RFID天线阅读器的移动机器人，建立了描述RFID信号强度特性的概率模型，从而可以精确地确定绑在环境中某些物体上的标签的位置，然后通过融合RFID信息和激光信息，能够以很小的计算量实现全局定位，但是这种方法因需要人工布置标签而不适合未知环境应用。

已有方法还没有解决未知环境探索的问题，发明好的辅助定位方法和更先进的定位传感装置是实现未知环境下高效率、高性能同时定位与建图、进而完成未知环境探索的关键。

3.发明内容

3.1要解决的技术问题

现有的移动机器人定位方法大多是基于超声波传感器、激光测距传感器以及视觉传感器，从环境中检测和识别相应的特征作为陆标，通过测量机器人和陆标之间的相对位置实现定位。而对于未知环境，由于不存在预先设定的陆标，而自然陆标的提取通常也比较困难，并且面临着数据关联的难题，目前尚且缺乏行之有效的定位手段。因此，我们提出了面向未知环境探索的陆标动态配置方法，并且综合射频识别和超声测距技术设计了可以动态配置的陆标定位装置，有效地解决了机器人自主探索未知环境的问题。所发明的陆标定位装置具有成本低、体积小、计算量小的特点，能够很好支持移动机器人这类嵌入式计算平台下的实时应用，并且避免了已有方法中要求未知环境中有易于提取的自然特征的限制以及数据关联的难题。

3.2技术方案

该方法的技术方案是：对于完全未知环境，机器人自带陆标进入环境进行探索，其间根据需要自主动态配置陆标(首先确定需要放置陆标的位置，然后运动到该位置，并通过车载陆标投放装置实现陆标放置)，机器人可以利用已配置的陆标进行自身定位，并要对已配置的陆标进行位置估计以建立地图。

该方法中陆标配置和机器人的运动形式是紧密相关的，机器人主动选取环境中某些关键位置然后运动到该位置进行陆标配置，而机器人的主动运动又依赖于已经配置的陆标，定位与建图也是通过机器人的主动运动(主动探索)完成的，因此我们采用统一的评价函数对陆标配置的正确性、定位精度和建图准确性进行统一评价，为机器人选择合理的运动方式，满足陆标配置、定位与建图的精度和实时性的要求。

可动态配置陆标定位装置由可动态配置陆标、陆标探测装置、陆标投放装置组成，陆标是能够发射射频、超声信号的微小型电路，机器人车载陆标探测装置用来识别陆标和实现定位，车载陆标投放装置实现陆标布置。每个陆标都有自己唯一的身份编号(ID)，从而避免了数据关联的难题，陆标体积小，便于投放，并且可以动态写入当前位置等配置信息。陆标是由低功耗微处理器、射频收发、超声收发以及其它外围电路构成的嵌入式系统，采用到达时间差原理测量相对距离，即通过两点之间传输的两种不同速度的信号来测量两点之间的距离，可配置陆标同时发射高速的射频信号和低速的超声信号，由陆标探测装置接收并测算陆标与机器人之间的距离，可配置陆标与机器人的相对方向信息也是基于测距信息来获得，通过多个接收单元计算的距离之差计算机器人和陆标之间的方向角信息。

3.3有益效果

该发明实现了一种用于移动机器人探索未知环境的陆标获取和辅助定位的新方法，并实现了可动态配置的陆标定位装置。为了适应未知环境中难以进行陆标提取的客观情况，通过在适当的位置配置陆标(包括写入位置信息和投放陆标两种操作)实现了对未知环境的探索和建图，陆标基于射频技术实现，采用唯一的ID编号标识每一个陆标，避免了陆标识别时数据关联的难题，实验结果证明了这种方法的有效性。陆标的成本、功耗、体积都很小，保证了这种定位方式在移动机器人等领域推广应用的可行性。该方法和装置可以有效地应用于军事、反恐、航天、灾难救助、危险品处理等领域。

4.附图说明

图1是基于陆标动态配置的主动探索与建图仿真结果；

图2是陆标探测装置结构与定位原理图；

图3是陆标电路原理与结构框图；

图4是陆标投放行为控制器电路结构与原理框图；

图5是陆标投放装置结构图侧视图；

图6是陆标投放装置结构图正视图。

在图5、图6中，1是可配置陆标，2是陆标固定架，3是用于固定陆标的连接线，4是陆标固定轴，5是投放行为控制器，6是支撑平台，7是支架，8是第一步进电机，9是割线刀，10是电机连接轴，11是第二步进电机，12是电机连接轴。

5.具体实施方式

5.1实施方案概述

针对移动机器人探索完全未知环境时遇到的问题，提出动态配置陆标的解决方案，基于陆标动态配置对定位与建图准确性影响的分析，把机器人的陆标动态配置及基于此的主动探索转化为一个多目标最优控制问题，机器人执行优化目标函数的控制输入探索环境并完成陆标配置。基于射频识别技术和超声测距技术，给出支持动态在线配置的陆标及其探测装置、投放装置的实现方案。

5.1.1陆标动态配置及主动探索概述

(1)未知环境下的陆标动态配置

首先给出了陆标配置准则，用于指导陆标配置过程和作为评价陆标配置效用的宏观指导准则。

其次给出了陆标配置优化目标函数，用于描述所要配置陆标的位置与当时定位与建图的准确性、预期探索的新区域面积以及配置陆标后对定位与建图准确性的影响之间的关系。

为了保证对整个目标环境进行陆标配置的充分性，把机器人探索环境所获得的信息进行量化，并将其引入到陆标配置的控制约束条件中，驱动机器人为获取更大的信息量而向未知空间运动，从而避免机器人为单一地追求定位精度最高而在已探索区域徘徊不前的缺陷，这样机器人能够遍历环境中的绝大部分区域，从而保证陆标配置能覆盖整个目标环境。建图完成后，需要进行冗余陆标的识别，因为全局地图中存在冗余陆标会增加地图应用时的计算量。

(2)基于陆标动态配置的主动探索

机器人在刚刚进入目标环境的初始阶段，以随机方式或某种简单规则设置陆标，并对陆标进行位置估计和机器人自身定位，从而建立局部地图；然后，基于局部地图根据主动探索的目标函数(即陆标配置的优化目标函数)继续运动，到达新位置后，对该位置是否需要配置新陆标进行评价，以决定是否需要配置陆标，该过程不断执行直至建图收敛(地图中所有陆标和障碍物的位置估计的协方差趋于零)；然后依据已配置陆标的分布和每个陆标的有效覆盖范围识别并删除冗余陆标，得到最终的全局地图。

在上述过程中，利用扩展卡尔曼滤波方法(EKF方法)完成整个位置估计与更新的计算，位置估计和最优控制问题的求解都是递推进行的，并且通过引入新型定位传感装置避免数据关联的计算，因此能够在很大程度上提高算法执行的实时性。

5.1.2可动态配置陆标定位装置的实现概述

传感器是机器人获取外部信息、认识环境从而实现导航并完成作业的物质基础，机器人依靠各种传感器从环境中提取陆标特征，实现定位和导航。在完全未知环境中，由于缺乏充分的可利用自然陆标，已有各种传感器的作用难以充分发挥，为此，我们提出了动态配置陆标的方法，并综合超声测距和射频识别的技术，实现了与上述方法相匹配的可动态配置陆标：利用射频通信实现陆标身份的识别，利用超声波测量机器人和陆标之间的距离和相对方位。可动态配置陆标定位装置包括陆标、车载陆标探测装置、车载陆标投放装置二个要素。机器人依据陆标动态配置方法确定在未知环境的某些关键位置投放陆标，并控制投放装置实现陆标投放，投放以后的陆标可以被车载陆标探测装置感知并使用。

车载陆标探测装置上的陆标探测节点的电路原理、结构和陆标相同，并且可以和陆标互换使用，只是在不同使用方式下工作模式不同，在进行测距时，由陆标发送超声波信号，探测节点接收超声波信号。

5.2实施方案的具体描述

5.2.1陆标动态配置及主动探索的具体实施方案

在有预置陆标的环境中，机器人利用陆标进行自身定位，同时完成对陆标位置的估计，此时的同时定位与建图等价为计算由全局坐标系下机器人位姿和陆标位置组成的系统状态的后验概率分布，对应EKF系列方法，只需估计系统状态的均值及相应的协方差。

而对于无预置陆标的完全未知环境，我们提出了陆标动态配置方法用于同时定位与建图，即机器人自带陆标(轻质、小体积标识物)进入环境进行探索，根据需要自主动态配置陆标(通过车载投放装置把陆标放置到相应的位置)，然后机器人利用配置的陆标进行自身定位，并对配置的陆标进行位置估计以建立地图。基于扩展卡尔曼滤波方法，就陆标动态配置对定位与建图准确性的影响进行了分析，给出了兼顾定位与建图准确性和探索充分性等因素的陆标配置方案。

(1)陆标配置准则

机器人对无预置陆标的未知环境的探索主要包括陆标配置、定位与建图三个任务，机器人的探索过程是主动的，主动探索最基本的任务就是进行陆标配置，因此需要给出陆标配置准则，以便有效地指导陆标配置，机器人不仅要准确地完成定位与建图，而且要实现对环境的充分探索，因此陆标配置准则如下：

准则1：若机器人观测不到任何陆标，则立即配置陆标；

准则2：若机器人配置新陆标后能够明显提高定位与建图的准确性，则配置陆标；

准则3：配置的陆标要尽可能充分覆盖环境；

准则4：配置的陆标要尽可能减小冗余。

其中，准则1是为了使机器人及时地配置陆标作为运动的参照物，以免迷失方位，否则在观测不到任何陆标的情况下，机器人依靠里程进行定位所产生的误差连续作用在机器人的运动过程中，无法得到校正而导致逐渐累积，直至定位和建图发散；准则2表示机器人在某一位置进行计算，若在当前位置配置一个陆标，此后若干步内定位与建图的准确性会有明显提高，则配置该陆标，否则不配置陆标；准则3表示机器人配置的陆标分布要合理，使其尽可能分布在整个环境中，以便机器人在环境中任一位置都能利用已经配置的陆标进行定位；准则4表示陆标配置尽可能充分的同时也要尽可能减小冗余，因为冗余的陆标会增加机器人在线运算的负担，同时还会增加数据关联的困难性。准则1和准则2用于指导机器人配置陆标，增加定位与建图的准确性；而准则3和准则4用于指导机器人充分、合理地配置陆标，以实现对环境的充分、高效地探索。

由于机器人运动模型和传感器观测模型的不确定性，机器人建立的地图可能很不准确。在机器人定位与建图不够准确的情况下，机器人盲目向未知区域运动，则定位与建图的不确定性将迅速增大，导致建图的估计协方差发散，因此，定位与建图的准确性是定位与建图问题最重要的评价指标。我们分析了陆标配置对定位与建图准确性的影响，得到以下结论：无论机器人在什么位置配置新陆标，都会使定位与建图的准确性得到提高，通过选择适当的方式配置新陆标，能够使得定位与建图的准确性明显提高。

(2)陆标配置的优化目标函数

机器人从某一位置出发进入环境进行探索，根据需要配置陆标，对已配置陆标的位置进行估计，同时借助所配置的陆标进行定位。在此过程中，机器人的运动方式并非随机的和指定的，而是根据陆标配置、定位与建图的需要主动选取的，因此在什么时刻、哪个位置配置陆标，需要考虑那个时刻移动机器人定位与建图的准确性、机器人预期探索的新区域面积和配置新陆标对定位与建图的影响。

基于EKF滤波方法的框架，我们以机器人位姿估计的协方差椭球的体积和陆标位置估计协方差椭圆的面积作为定位与建图准确性的量化描述，即：

$C\left(P(k+1|k+1)\right)=\mathrm{\π}\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_j\left(P_{\mathrm{rr}}(k+1|k+1)\right)}+\mathrm{\π}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Π}}}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_j\left(P_{\mathrm{ii}}(k+1|k+1)\right)}---\left(1\right)$

$=\mathrm{\π}\sqrt{\det \left(P_{\mathrm{rr}}(k+1|k+1)\right)}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{\det \left(P_{\mathrm{ii}}(k+1|k+1)\right)}$

其中P(k+1|k+1)使用下式进行预测：

$P(k+1|k+1)={[P^{-1}(k+1|k)+{\▿}_X{h}^T\·R^{-1}(k+1)\·{\▿}_{X}h]}^{-1}---\left(2\right)$

机器人预期探索的新区域面积可以表示为如下形式：

Area_new(k+1|k)＝Area_grid·N_{sensor_new}(k+1|k)                            (3)

由前述内容可知，配置新陆标后会使系统状态的协方差减小，假设减小值为ΔP，ΔP算式如下：

$\mathrm{\ΔP}=[I-P(k+1|k)\·{\▿}_X{h}^T\·S^{-1}\·{\▿}_{X}h]\·[P(k+1|k)\·C^T+{\▿}_{X}f\·B\·D^T]\·$

${(F-E^T\·S^{-1}\·E)}^{-1}\·{[P(k+1|k)\·C^T+{\▿}_{X}f\·B\·D^T]}^T\·[I-P(k+1|----\left(4\right)$

$k)\·{\▿}_X{h}^T\·S^{-1}\·{\▿}_{X}h{]}^T$

将ΔP的迹trace(ΔP)引入到目标函数中，以便使陆标配置尽可能减小定位与建图的不确定性，当该项得到优化时，配置新陆后定位与建图的不确定性会尽可能减小。

假设机器人配置的陆标的位置即为当前机器人中心点的位置。假设在第k步配置新陆标，则将定位与建图的准确性、预期探索的新区域的面积和配置新陆标对定位与建图的影响分别进行规一化处理，然后融合为如下目标函数：

$J\left(u\left(k\right)\right)$

$={\mathrm{\ω}}_1\·\frac{C\left(P_{\min }\right)}{C\left(P(k+1|k+1)\right)}+{\mathrm{\ω}}_2\·\frac{{\mathrm{Area}}_{\mathrm{new}}(k+1|k)}{{\mathrm{Area}}_{\max }}+{\mathrm{\ω}}_3\·\frac{\mathrm{trace}\left(\mathrm{\ΔP}(k+1|k+1)\right)}{\mathrm{trace}\left(P(k+1|k+1)\right)}---\left(5\right)$

其中P_min表示定位与建图协方差的下界，Area_max表示传感器最大探测圆的面积。

(3)陆标动态配置方法及主动探索的具体实施

基于式(5)中的目标函数，在某一时刻，计算执行陆标配置的移动机器人最优控制输入为：

$\left[u^{*}\left(k\right)\right]=\underset{u\∈U}{\arg }\max J\left(u\left(k\right)\right)---\left(6\right)$

其中U＝{u＝[u₁，u₂]^T|u_1min≤u₁≤u_1max，u_2min≤u₂≤u_2max}表示机器人可选控制输入集。

为避免观测模型线性化不稳定的问题，当预测的传感器观测距离d_i满足d_i≥d₀时利用传感信息进行更新，否则不进行更新。

若根据u^*(k)计算出配置新陆标后对定位与建图准确性的影响大于选定的阈值：

$\frac{\mathrm{trace}\left(\mathrm{\ΔP}(k+1|k+1)\right)}{\mathrm{trace}\left(P(k+1|k+1)\right)}\≥\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{threshold}}---\left(7\right)$

则在第k步配置陆标，同时将最优控制输入u^*(k)施加给机器人。

若根据u^*(k)计算出配置新陆标的影响小于选定的阈值：

$\frac{\mathrm{trace}\left(\mathrm{\&Delta;P}(k+1|k+1)\right)}{\mathrm{trace}\left(P(k+1|k+1)\right)}<\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{threshold}}---\left(8\right)$

则在第k步不配置陆标，同时令ω₃＝0，再由(6)重新计算出满足目标函数优的控制输入施加给机器人。上述过程重复进行，且每次都要基于EKF框架进行预测--观测--更新的同时定位与建图操作，直至机器人将全部环境探索完毕。

当执行控制输入(6)时，可能出现如下陷入局部区域的情况，即机器人当前定位与建图足够准确，并且即使增加新陆标也不会明显提高定位与建图的准确性，同时传感器无法探测到新的未知区域，此时采用如下避开局部探索的方法，即当 $\frac{C\left(P_{\mathrm{mm}}\right)}{N_{l\_\mathrm{deployed}}}\&le;C_{\mathrm{threshold}}$ 且Area_new＝0时，让机器人朝着当前距离它最近的边界栅格运动，其中N_{l_deployed}表示到目前为止机器人已配置的陆标数目，C_threshold为给定阈值，若上述两个条件至少有一个不满足，则继续执行(6)的控制输入，这样就可以避免机器人陷入局部探索区域，使之能够探索全部环境，上述方法的思路是如果当前机器人定位与建图已足够准确，则让机器人朝着未探索区域运动，我们用仿真实验验证了这种操作的有效性。

陆标配置在提高定位与建图准确性的同时，应该尽可能充分覆盖环境，这样机器人进入环境后，在该区域的任意位置都能观测到陆标，此时称该区域中的陆标配置是完备的。为保证陆标配置的完备性，陆标配置的优化目标函数能够引导机器人不断探索未知区域，使得机器人的运动能够覆盖整个未知环境，从而保证陆标配置能够充分覆盖整个环境。

图1给出了陆标动态配置及基于此的未知环境探索的仿真实验结果：图1(a)中显示了探索未知环境过程中的边界信息；图1(b)是机器人探索完整个未知环境时的状态，即完成未知环境探索后的建图情况，在图中机器人共配置了23个陆标；图1(c)是机器人进行陆标增补后的结果，其中机器人增补了一个陆标；图1(d)是机器人去除冗余陆标的结果，共去除了5个冗余陆标。从图中可见，机器人在探索环境过程中出现了多次闭环(即观测到以前配置过的陆标)，因此定位和建图的准确性很高。

5.2.2可动态配置陆标定位装置的具体实施

可动态配置陆标定位装置涉及到可动态配置陆标、机器人车载陆标探测装置和车载陆标投放装置。

图2是陆标探测装置结构与基于可动态配置陆标的定位原理图，其中：点A、D是两个探测节点，二者安装在位于机器人本体的一个支架上，AD和地面平行，其中间点是M，A、M、D在地面上的投影分别是F、N、E，B是地面上一个陆标，ΔEFB在地平面上，GZ为直线EF的中垂线，代表机器人的朝向，N为EF的中点，B作为机器人的可配置陆标，其观测值应该是距离线段BN的长度以及朝向角θ＝∠BNZ，因为线段DB以及AB的长度能通过超声测得，MN＝DE＝AF的长度由安装方式确定是已知的，且∠DEB＝∠AFB＝90°，从而根据勾股定理和余弦定理可以计算出线段BN的长度和角θ的值。

图3是陆标电路结构与原理框图，陆标电路包括五个功能模块，分别是中央控制模块、RS232串行通信模块、射频通信模块、超声波发射模块、超声波接收模块，每个电路模块又包含若干电路单元。机器人车载陆标探测装置上的陆标探测节点和陆标具有相同的硬件电路结构，可以互换使用。

中央控制模块是以低功耗的微控制器(1)为核心，外接晶振(2)、复位(3)等电路构成，负责控制、协调其他各个模块，在该电路作为陆标使用时，微控制器主要完成射频通信信号和超声测距信号的发射控制；在该电路作为陆标探测装置上的探测节点时，微控制器主要完成射频信号和超声信号的接收控制。微控制器应该选用具有SP1接口、内部具有较大容量的FLASH存储器、功耗较低的产品，以支持对可动态配置陆标功能和性能的要求。

RS232串行通信模块为机器人车载计算机和车载陆标探测装置之间提供通信接口，由RS2322电平转换单元(15)完成微控制器串行口的TTL电平与标准RS232串行口电平之间的转换，机器人对某一陆标的配置信息要通过串行口送到陆标探测节点，并由节点上的射频通信模块发送到相应的陆标；车载探测装置获得的陆标观测数据也要经过串行口送到机器人车载计算机。RS2322电平转换单元是以一片串口电平转换芯片(如MAX232)外接少量电容元件构成。

射频通信模块完成射频通信信号发送和接收，由数据编码单元(7)、射频控制单元(8)、调制解调单元(9)三个电路单元组成(这三个电路单元的功能可以由一个射频通信控制芯片完成)。在射频信号接收状态时，微控制器(1)通过通用输入/输出接口(5)向射频控制单元(8)发送接收控制信号，然后，在射频控制单元的控制和协调下，调制解调单元(9)完成天线接收信号的解调，数据编码单元(7)完成对解调信号的曼彻斯特解码，通过同步串行接口(4)送入微控制器(1)；在发送状态时，微控制器(1)通过输入/输出接口(5)向射频控制单元(8)发送发射控制信号，然后通过同步串行接口(4)，把要发射的信息发送到数据编码单元(7)，在射频控制单元(8)的控制协调下，数据编码单元(7)完成对发射信息的曼彻斯特编码，再由调制解调单元(9)完成编码信号调制，然后通过天线发射出去。

为了识别陆标身份，在微控制器(1)内部的FLASH存储器内分配了一段空间，用于存放路标身份编号(ID)信息，在对某一个陆标进行配置时，陆标根据收到的射频信息，以查询方式获取自己的身份(ID)。

超声发射模块主要完成超声测距信号的发射，由超声发射控制单元(10)、超声发射驱动单元(11)和超声发射器(16)组成，微控制器(1)向超声发射控制单元(10)发出控制使能信号和40KHZ方波电脉冲信号，然后在超声发射控制单元(10)的控制下，超声发射驱动单元(11)完成对方波信号的电压双极性变换，得到40KHZ的双极性信号，再经过滤波，由超声发射器发射出去(即40KHZ的超声波)。

超声接收模块完成超声波信号接收，由超声接收器(18)，超声接收处理单元(12)、超声接收控制单元(13)组成，超声接收器在接收到外来的超声波信号后，完成超声波到电脉冲信号的转换，接收处理单元(12)对电信号进行放大滤波处理，然后由超声接收控制单元(13)转换成恒压信号并与基准电压比较，如果高于基准电压，则超声接收控制单元触发微处理器产生中断，在中断处理程序中完成超声测距。

本发明的特点在于可动态配置陆标的配置方法和使用方式(包括投放、探测)，而可配置陆标的上述各个功能模块的电路设计以及模块之间连接方式的设计都采用常用的形式，在此不再详尽描述。

超声发射器和接收器并排安装在电路板上，在该电路板作为陆标使用时，只发出超声波信号，在作为陆标探测节点使用时，则只接收超声波信号。

机器人探索未知环境时，已配置陆标的射频通信电路周期性地发送该陆标的位置坐标、ID编号等信息，与此同时，陆标的超声发射电路也发出超声脉冲信号，如果机器人车载陆标探测装置上的某个节点同时接收到某一个陆标发出的射频和超声信号，根据这两种信号到达时间的不同，就能计算出探测节点与陆标之间的距离。适当配置探测装置上的探测节点的布局，根据各个探测节点和陆标之间的距离信息并考虑节点之间的相对位置关系，就可以确定机器人的相对位置与朝向，实现对机器人的定位。

陆标投放装置的核心是投放行为控制器，图4是它的电路结构与原理图，由一个具有通用输出接口的单片机完成控制功能，投放陆标的命令由机器人车载计算机通过串口发送到该单片机，然后由单片机先后触发两个步进电机驱动器，控制每个步进电机转过一定的角度，从而达到陆标投放的目的。

图5、图6是陆标投放装置原理与结构图，八个可配置陆标1(以一次可装载8个可配置陆标为例，改变结构设计可以扩展到更多陆标)分别通过连接线3固定在一个八边形的陆标固定架2的每一条边上，陆标固定架2由第二步进电机11控制旋转，以控制某一陆标正对地面而便于投放，当陆标固定架2旋转至某一陆标正对地面后，第一步进电机8旋转带动割线刀9横切该陆标的连接线3，使其断开，从而将陆标抛下，之后第一步进电机8恢复初始位置，割线刀9复位，在不投放陆标时，不妨碍陆标固定架2旋转，两个步进电机的动作受到陆标投放行为控制器5的顺序控制。

Claims (5)

1.一种面向未知环境探索的移动机器人陆标动态配置方法及装置，其特征在于移动机器人在未知环境中通过主动探索进行陆标(也称为“路标”)优化配置，并在环境中适当的位置投放可以动态配置的陆标，然后机器人可以利用已配置的陆标进行定位和建立环境地图，从而完成对未知环境的探索。

2.根据权利要求1所述的一种面向未知环境探索的移动机器人陆标动态配置方法及装置，其特征在于陆标动态配置的优化方法，从当前定位与建图的准确性、机器人预期探索的新区域的面积以及配置新陆标后对定位和建图准确性的影响三个方面对陆标动态配置的控制进行优化。

3.根据权利要求1所述的一种面向未知环境探索的移动机器人陆标动态配置方法及装置，其特征在于机器人主动、在线地进行陆标动态配置，根据陆标配置优化目标函数确定需要在那些位置配置陆标，把位置信息、陆标身份编号等信息写入陆标，在相应的位置投陆标，从而完成陆标配置。

4.根据权利要求1所述的一种面向未知环境探索的移动机器人陆标动态配置方法及装置，其特征在于可动态配置陆标的实现和使用方式：利用射频通信对陆标的位置等信息进行写入；利用唯一的身份编号实现陆标个体的识别；机器人车载陆标探测装置实现对陆标的探测，依据超声测距信息结合陆标探测节点的布局，利用几何变换获得对陆标的观测结果。

5.根据权利要求1所述的一种面向未知环境探索的移动机器人陆标动态配置方法及装置，其特征在于陆标投放装置的实现机制，该装置采用旋转方式输出陆标，采用拉线方式同定陆标，采用割线方式投放陆标。

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