CN104731093B - 一种移动机器人室内环境感知能力测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种移动机器人室内环境感知能力测试方法，该测试方法包括评价指标体系、场景设置方法、能力测试步骤和结果评估表格，针对移动机器人的感知能力测试，设计了一套评价指标体系和评估方法，以机器人感知到的目标位置、目标速度、环境地图、耗时4类关键指标为评价标准，通过设计6种典型的室内场景方式和相应的测试步骤，获得不同场景不同条件下机器人对室内环境感知能力的定量评价。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人智能感知能力测评领域，具体涉及一种移动机器人室内环境感知能力的测试方法。
背景技术
移动机器人在自然灾害和核泄漏救援、极地和外星探险、军事侦察和作战、工业制造和物流自动化、民用车辆智能化、助老助残等方面具有广阔的应用前景，可以代替人类从事各种危险、繁重、枯燥的工作。感知能力是移动机器人理解周围环境、执行工作任务的前提条件，是实现智能决策的前提。国内外学者在移动机器人感知能力方面开展了大量的研究，发展了许许多多的理论方法与技术，然而如何评价各种方法和技术的优劣是一个没有解决的问题。因此移动机器人感知能力测试系统是提升机器人自主能力的关键实验装备。
本发明专利提出的测试系统将为移动机器人感知能力的研究提供量化的实验和测试条件，对促进我国的移动机器人自主能力的提高起到重要作用。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种移动机器人室内环境感知能力测试系统，很好地解决外界环境不可控对被测机器人感知能力的影响，能全面真实的反应出被测机器人的感知能力并进行定量评估。
本发明采用的技术方案为：一种移动机器人室内环境感知能力测试方法，该测试方法步骤如下：
步骤一、测试评价指标体系的4类关键指标：
1.被测移动机器人感知的静态目标的位置及偏差；
2.被测移动机器人感知的运动目标的位置和速度曲线；
3.被测移动机器人构建的环境地图的覆盖率和匹配度；
4.被测移动机器人完成上述每项任务的耗时；
通过测试评价指标体系的4类关键指标，得到被测机器人感知静态目标物远近距离的能力、空间分辨的能力、对外界干扰因素变化的抵抗能力，感知动态目标物的速度变化，运动轨迹变化的能力，感知环境地图的覆盖率和匹配度的能力，及相应的时间代价；
步骤二、场景设置方法由以下六种场景设置：
I、面向目标特性(包括形状、大小、颜色)变化的感知测试场景；
II、面向目标全空间分布的感知测试场景；
III、面向不同距离上目标空间间距分布的感知测试场景；
IV、面向目标高度分布的感知测试场景；
V、面向目标运动方式的感知测试场景；
VI、面向地图构建能力的感知测试场景。
本发明的优点与积极效果为：
1、测试条件选择灵活：室内搭建的平台可以很好地解决外界环境不可控对被测机器人感知能力的影响，更接近于理想情况。
2、本发明测试方案涵盖了多种测试场景和测试方案，能全面真实的反应出被测机器人的感知能力并进行定量评估。
附图说明
图1为面向目标特性的感知测试场景。
图2为面向目标全空间分布的感知测试场景。
图3为面向不同距离上目标空间间距分布的感知测试场景。
图4为面向目标高度分布的感知测试场景。
图5为面向目标运动方式的感知测试场景。
图6为面向地图构建能力的感知测试场景，其中图(a)为场景摆放俯视示意图，图(b)为场景摆放三维示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明所述一种移动机器人室内环境感知能力测试方法，其特征是该测试方法由评价指标体系、场景设置方法、能力测试步骤和结果评估表格四个部分组成。
评价指标体系由如下4类关键指标构成：
1.被测移动机器人感知的静态目标的位置及偏差。
2.被测移动机器人感知的运动目标的位置和速度曲线。
3.被测移动机器人构建的环境地图的覆盖率和匹配度。
4.被测移动机器人完成上述每项任务的耗时。
以上的测试指标系，涵盖了被测机器人感知静态目标物远近距离的能力、空间分辨的能力、对外界干扰因素变化的抵抗能力，感知动态目标物的速度变化，运动轨迹变化的能力，感知环境地图的覆盖率和匹配度的能力，及相应的时间代价。
场景设置方法由如下6种典型场景构成：
I.面向目标特性(包括形状、大小、颜色)变化的感知测试场景
II.面向目标全空间分布的感知测试场景
III.面向不同距离上目标空间间距分布的感知测试场景
IV.面向目标高度分布的感知测试场景
V.面向目标运动方式的感知测试场景
VI.面向地图构建能力的感知测试场景
每个场景下的具体设置、测试步骤和评估表格分别阐述如下：
(I)面向目标特性(包括形状、大小、颜色)的感知测试场景(附图1)
场景设置目的：固定目标物的数量和位置，在距离移动机器人远近不同的5个典型位置上布置目标，并在其对称位置上布置5个相反颜色的目标，测量目标形状和大小变化时移动机器人对目标位置的感知能力，和不同颜色(或表面反射能力)对感知结果的影响。
场景设置方法：在6m*6m的测试空间内，把机器人放在下方的中间位置处，在两排平行竖直位置分别每隔1.2m摆放目标物(其中左边摆放黑色目标物，右边摆放白色目标物)，目标物位置如附图1所示。目标物规格为球体、圆柱体、圆椎体。尺寸规格为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm。规格含义是：球体为球直径；柱体为底面圆的直径，高度统一为50cm；椎体为底面圆的直径，高度与椎体底面直径相同。
图1中，检测移动机器人可感知物体的大小和颜色(长度单位cm)，其中黑色填充表示物体颜色为黑色；无填充物表示物体为白色；物体直径依次可更换为5cm，10cm，15cm，20cm，25cm,30cm。
测试步骤：
(1)将被测机器人放到指定位置；
(2)选定被观测目标为球体，尺寸规格为最小，在设计位置上放置目标，左侧放置黑色目标，右侧放置白色目标；
(3)被测机器人执行环境感知任务，给出感知结果；
(4)按照尺寸规格逐步增大被观测目标的大小，重复(2)(3)步骤；
(5)改变被观测目标类型为圆柱体，重复(2)(3)(4)步骤；
(6)改变被观测目标类型为圆椎体，重复(2)(3)(4)步骤；
(7)重复上述步骤3次，记录测试结果，填写评估表格。
评估表格如下：
表1 面向目标特性的感知能力评估表
(II)面向目标全空间分布的感知测试场景(附图2)
场景设置目的：固定目标物的数量，在全空间范围内布置目标，使目标与移动机器人的相对位置关系(纵向距离和横向距离)发生变化，测量目标大小变化时移动机器人对目标位置的感知能力。使在纵向和横向两个尺度上的评价精度都达到10cm级。
场景设置方法：在6m*6m的测试空间内，把机器人放在下方的中间位置处，在全空间范围内按等腰三角形的等腰边布置目标，目标间距逐渐增大，目标位置如附图2所示。目标物规格为圆柱体。尺寸规格为底面直径15cm，高度统一为50cm。本测试场景设计的另一个优点是避免目标物被人为遮挡。
图2中，检测移动机器人在全空间中对物体的感知能力(长度单位cm)，其中摆放物体为直径15cm，高50cm的圆柱。
测试步骤：
(1)将被测机器人放到指定位置；
(2)将被观测目标放到指定位置；
(3)被测机器人执行环境感知任务，给出感知结果；
(4)重复上述步骤3次，记录测试结果，填写评估表格。
评估表格如下：
表2 面向目标全空间分布的感知能力评估表
(III)面向不同距离上目标空间间距分布的感知测试场景(附图3)
场景设置目的：
固定目标物的数量和位置，在距离移动机器人远近不同的5个典型径向距离同心圆上，测量目标物之间相对距离大小变化时移动机器人对目标位置的感知能力。本场景的另一个目的是为了衡量被测机器人对于多个相邻目标物的分辨能力。
场景设置方法：在6m*6m的测试空间内，把机器人放在下方的中间位置处，在5个不同距离的同心圆上按间距逐渐增大的方式排列目标，目标位置如附图3所示。目标物规格为圆柱体，尺寸规格为底面直径15cm，高度统一为50cm。为了避免目标物与目标物之间遮挡情况的出现，对场景中的每一种相同半径情况下目标物逐一实现，并记录测试结果。
图3中，测试移动机器人感知临近物体的距离间隔(长度单位cm)，圆柱体选择统一大小。
测试步骤：
(1)将被测机器人放到指定位置；
(2)将被观测目标放到最近的同心圆上的指定位置；
(3)被测机器人执行环境感知任务，给出感知结果；
(4)逐步增大同心圆的半径，重复步骤(2)(3)，直到5组同心圆测试完；
(5)重复上述步骤3次，记录测试结果，填写评估表格。
评估表格如下：
表3 面向不同距离上目标空间间距分布的感知评估表
(IV)面向目标高度分布的感知测试场景(附图4)
场景设置目的：
固定目标物的数量和位置，固定目标物的类型和大小，测量目标物高度大小变化时移动机器人对目标位置的感知能力，并测量关联因素(典型距离变化、颜色变化)对被测机器人感知能力的影响。
场景设置方法：在6m*6m的空间内，把机器人放在下方的中间位置，在距离移动机器人远近不同的5个典型位置上布置目标，在每个位置采用悬挂方式挂起7个目标，并在其对称位置上布置5组相反颜色的目标，目标位置如附图4所示。目标物规格为15cm直径的球体。球体采用悬挂方式，每条线上有7个球体，球体圆心距35cm(切面距20cm)，左边摆放黑色小球，右边摆放白色小球。
图4中，检测移动机器人可感知物体的高度(长度单位cm)，其中无填充表示物体颜色为白色，黑色填充物表示物体为黑色。
测试步骤：
(1)将被测机器人放到指定位置；
(2)将被观测目标悬挂到指定位置；
(3)被测机器人执行环境感知任务，给出感知结果；
(4)重复上述步骤3次，记录测试结果，填写评估表格。
评估表格如下：
表4 面向目标高度分布的感知测试评估表
(V)面向目标运动方式的感知测试场景(附图5)
场景设置目的：测试被测机器人对室内运动目标的感知能力。动态目标物的运动方式采用三种最典型的运动方式：匀速运动，匀加速运动和匀减速运动。根据轨道的长度，电机运行功率设计出多条速度曲线作为运动真值。
场景设置方法：在6m*6m的空间内，设置三条垂直的导轨，三个运动目标物分别摆放在三条导轨的初始位置上，被测机器人先后摆放在红色圆心处。目标位置及被测机器人位置如附图5所示。场景搭建完毕后，三条导轨上的运动目标物分别被三个电机驱动，分别执行匀速运动、匀加速运动和匀减速运动，被测机器人记录导轨上运动目标物的速度，给出速度时间曲线。
图5中，检测移动机器人检测运动物体的能力(长度单位cm)。
测试步骤：
(1)将被测机器人放到指定位置；
(2)将三个被观测目标放到初始位置；
(3)设定轨道一(左侧)上的运动目标执行匀加速运动，轨道二(右侧)上的运动目标执行匀减速运动，轨道三(正前方)上的运动目标执行匀速运动；
(4)启动电机，是运动目标在时间t1到时间t2之间按设定的速度在轨道上行驶；
(5)被测机器人检测导轨上运动目标物，给出位置和速度曲线；
(6)变更速度设定值，重复步骤(3)(4)(5)；
(7)重复上述步骤3次，记录测试结果，填写评估表格。
评估表格如下：
表5 面向目标运动方式的感知测试评估表
(VI)面向地图构建能力的感知测试场景(附图6)
场景设置目的：设置场景内存在目标物和干扰物，允许移动机器人在被测场景内自主运动，测量被测机器人构建地图的覆盖率、匹配度、耗时。地图覆盖率是指，构建的地图面积占整个场景总面积的百分比；地图匹配度是指：构建的地图中感知正确的标记点占总标记点的百分比；耗时是指：构建地图过程中所耗时间。
场景设置方法：被测机器人置于平地，场景内存在规则的目标物和干扰物。目标物规格为台阶面；干扰物为导轨，导轨上放置假人；目标物和干扰物的位置如附图6所示。被测机器人可以自由选择在原地静止检测或者在场地内自主行驶检测的方式。
图6中，检测移动机器人构建地图的能力(长度单位cm)。
测试步骤：
(1)将被测机器人放到初始位置；
(2)将目标物和干扰物放置到指定位置；
(3)从被测机器人开始构建地图时开始计时，允许被测机器人在室内自由移动，在被测机器人检测结束时，计时结束；
(4)被测机器人给出环境感知结果；
(5)重复上述步骤3次，记录测试结果，填写评估表格。
评估表格如下：
表6.1 面向地图构建能力的感知评估表(覆盖率)
表6.2 面向地图构建能力的感知评估表(匹配度)
表6.3 面向地图构建能力的感知评估表(耗时)
具体实施例如下：
室内场景是在一个6m*10m的实验室内进行的，地面通过喷漆处理，使地面保持水平，并且减少光线反射对实验的影响；保证实验室的光照充足，并且封闭性好，用以满足测试对光线的需求。
以一辆无人驾驶车辆为被测移动机器人，该无人驾驶车以视觉和雷达作为感知周围环境的手段。布置测试场景进行感知能力测试：
1、面向目标特性(包括形状、大小、颜色)变化的感知能力测试
在6m*6m的测试空间内，把机器人放在下方的中间位置处，在两排平行竖直位置分别每隔1.2m摆放目标物(其中左边摆放黑色目标物，右边摆放白色目标物)。目标物规格为球体、圆柱体、椎体。尺寸规格为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm。规格含义是：球体指球直径；柱体指底面直径，高度统一为50cm；椎体指底面最小外接圆直径。保证光线充足，按照测试步骤改变单一变量(目标物形状，大小，颜色)，对被测机器人感知目标特性的能力进行测试，同时记录测试结果。
2、面向目标全空间分布的感知能力测试
在6m*6m的测试空间内，目标物规格为圆椎体。尺寸规格为底面直径15cm，高度统一为50cm，把被检测机器人放在下方的中心位置处。保证光线充足，开始对被测机器人感知空间能力的测试，同时记录测试结果。
3、面向不同距离上目标空间间距分布的感知能力测试
在6m*6m的测试空间内，目标物规格为圆柱体。尺寸规格为底面直径15cm，高度统一为50cm，把被检测机器人放在下方的中心位置处。在搭建场景时，为了避免目标物与目标物之间遮挡情况的出现，对场景中的每一种相同半径情况下目标物进行摆放，进行测试，逐一实现，并记录测试结果。
4、面向目标高度分布的感知能力测试
在6m*6m的测试空间内，把机器人放在下方的中间位置，目标物规格为15cm直径的球体。球体采用悬挂方式，每条线上有7个球体，球体圆心距35cm(切面距20cm)，左边摆放黑色小球，右边摆放白色小球。场景搭建完成后，对被测机器人开始测试，同时记录测试结果。
5、面向目标运动方式的感知能力测试
在室内搭建三组伺服运动平台，目标物选择标准交通信号标志和标准人偶模型。移动机器人静止于室内测试场景中，将不同的交通标志或人偶模型固定在伺服控制的运动平台上，运动平台模拟移动机器人工作环境中的目标物，在不同的位置和速度的情况下，被测机器人感知目标物的速度。
6、面向地图构建能力的感知能力测试
被测机器人置于平地，场景内存在规则的目标物和干扰物。目标物规格为台阶面，选择；干扰物为导轨，导轨上放置假人从被测机器人开始构建地图时开始计时，允许被测机器人在室内自由移动，在被测机器人检测结束时，计时结束。分析被测机器人构建地图的覆盖率、匹配度、耗时，记录分析结果。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (1)
1.一种移动机器人室内环境感知能力测试方法，其特征在于：该测试方法步骤如下：
步骤一、测试评价指标体系的4类关键指标：
1.被测移动机器人感知的静态目标的位置及偏差；
2.被测移动机器人感知的运动目标的位置和速度曲线；
3.被测移动机器人构建的环境地图的覆盖率和匹配度；
4.被测移动机器人完成上述每项任务的耗时；
通过测试评价指标体系的4类关键指标，得到被测机器人感知静态目标物远近距离的能力、空间分辨的能力、对外界干扰因素变化的抵抗能力，感知动态目标物的速度变化，运动轨迹变化的能力，感知环境地图的覆盖率和匹配度的能力，及相应的时间代价；
步骤二、场景设置方法由以下六种场景设置构成：
I、面向目标特性变化的感知测试场景，面向目标特性包括形状、大小和颜色；
II、面向目标全空间分布的感知测试场景；
III、面向不同距离上目标空间间距分布的感知测试场景；
IV、面向目标高度分布的感知测试场景；
V、面向目标运动方式的感知测试场景；
VI、面向地图构建能力的感知测试场景；
步骤二中每个场景下的具体设置、测试步骤分别阐述如下：
(I)面向目标特性的感知测试场景
该面向目标特性包括形状、大小、颜色；场景设置目的：固定目标物的数量和位置，在距离移动机器人远近不同的5个典型位置上布置目标，并在其对称位置上布置5个相反颜色的目标，测量目标形状和大小变化时移动机器人对目标位置的感知能力，测量目标形状和不同颜色或表面反射能力对感知结果的影响；
场景设置方法：在6m*6m的测试空间内，把机器人放在下方的中间位置处，在两排平行竖直位置分别每隔1.2m摆放目标物，其中左边摆放黑色目标物，右边摆放白色目标物，目标物规格为球体、圆柱体、圆椎体；
测试步骤：
(1.1)将被测机器人放到指定位置；
(1.2)选定被观测目标为球体，尺寸规格为最小，在设计位置上放置目标，左侧放置黑色目标，右侧放置白色目标；
(1.3)被测机器人执行环境感知任务，给出感知结果；
(1.4)按照尺寸规格逐步增大被观测目标的大小，重复(1.2)、(1.3)步骤；
(1.5)改变被观测目标类型为圆柱体，重复(1.2)、(1.3)、(1.4)步骤；
(1.6)改变被观测目标类型为圆椎体，重复(1.2)、(1.3)、(1.4)步骤；
(1.7)重复上述步骤3次，记录测试结果，填写评估表格；
(II)面向目标全空间分布的感知测试场景
场景设置目的：固定目标物的数量，在全空间范围内布置目标，使目标与移动机器人的相对位置关系发生变化，测量目标大小变化时移动机器人对目标位置的感知能力；
场景设置方法：在6m*6m的测试空间内，把机器人放在下方的中间位置处，在全空间范围内按等腰三角形的等腰边布置目标，目标间距逐渐增大；
测试步骤：
(2.1)将被测机器人放到指定位置；
(2.2)将被观测目标放到指定位置；
(2.3)被测机器人执行环境感知任务，给出感知结果；
(2.4)重复上述步骤3次，记录测试结果，填写评估表格；
(III)面向不同距离上目标空间间距分布的感知测试场景
场景设置目的：
固定目标物的数量和位置，在距离移动机器人远近不同的5个典型径向距离同心圆上，测量目标物之间相对距离大小变化时移动机器人对目标位置的感知能力；
场景设置方法：在6m*6m的测试空间内，把机器人放在下方的中间位置处，在5个不同距离的同心圆上按间距逐渐增大的方式排列目标；
测试步骤：
(3.1)将被测机器人放到指定位置；
(3.2)将被观测目标放到最近的同心圆上的指定位置；
(3.3)被测机器人执行环境感知任务，给出感知结果；
(3.4)逐步增大同心圆的半径，重复步骤(3.2)(3.3)，直到5组同心圆测试完；
(3.5)重复上述步骤3次，记录测试结果，填写评估表格；
(IV)面向目标高度分布的感知测试场景
场景设置目的：
固定目标物的数量和位置，固定目标物的类型和大小，测量目标物高度大小变化时移动机器人对目标位置的感知能力；
场景设置方法：在6m*6m的空间内，把机器人放在下方的中间位置，在距离移动机器人远近不同的5个典型位置上布置目标，在每个位置采用悬挂方式挂起7个目标，并在其对称位置上布置5组相反颜色的目标；
测试步骤：
(4.1)将被测机器人放到指定位置；
(4.2)将被观测目标悬挂到指定位置；
(4.3)被测机器人执行环境感知任务，给出感知结果；
(4.4)重复上述步骤3次，记录测试结果，填写评估表格；
(V)面向目标运动方式的感知测试场景
场景设置目的：测试被测机器人对室内运动目标的感知能力，动态目标物的运动方式采用三种最典型的运动方式：匀速运动，匀加速运动和匀减速运动，根据轨道的长度，电机运行功率设计出多条速度曲线作为运动真值；
场景设置方法：在6m*6m的空间内，设置三条垂直的导轨，三个运动目标物分别摆放在三条导轨的初始位置上，被测机器人先后摆放在红色圆心处；
测试步骤：
(5.1)将被测机器人放到指定位置；
(5.2)将三个被观测目标放到初始位置；
(5.3)设定轨道一(左侧)上的运动目标执行匀加速运动，轨道二(右侧)上的运动目标执行匀减速运动，轨道三(正前方)上的运动目标执行匀速运动；
(5.4)启动电机，是运动目标在时间t1到时间t2之间按设定的速度在轨道上行驶；
(5.5)被测机器人检测导轨上运动目标物，给出位置和速度曲线；
(5.6)变更速度设定值，重复步骤(5.3)(5.4)(5.5)；
(5.7)重复上述步骤3次，记录测试结果，填写评估表格；
(VI)面向地图构建能力的感知测试场景
场景设置目的：设置场景内存在目标物和干扰物，允许移动机器人在被测场景内自主运动，测量被测机器人构建地图的覆盖率、匹配度、耗时；地图覆盖率是指，构建的地图面积占整个场景总面积的百分比；地图匹配度是指：构建的地图中感知正确的标记点占总标记点的百分比；耗时是指：构建地图过程中所耗时间；
场景设置方法：被测机器人置于平地，场景内存在规则的目标物和干扰物，目标物规格为台阶面；干扰物为导轨，导轨上放置假人；
测试步骤：
(6.1)将被测机器人放到初始位置；
(6.2)将目标物和干扰物放置到指定位置；
(6.3)从被测机器人开始构建地图时开始计时，允许被测机器人在室内自由移动，在被测机器人检测结束时，计时结束；
(6.4)被测机器人给出环境感知结果；
(6.5)重复上述步骤3次，记录测试结果，填写评估表格。
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| CN103707298A (zh) * | 2013-12-06 | 2014-04-09 | 中国民航大学 | 一种连续型机器人空间路径跟踪效果的评价方法 |
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2015
- 2015-01-09 CN CN201510012677.1A patent/CN104731093B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102004047130A1 (de) * | 2004-09-27 | 2006-04-13 | Daimlerchrysler Ag | Umgebungsmodellierung für autonome mobile Systeme |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104731093A (zh) | 2015-06-24 |
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