CN105387872A - 一种自主移动机器人导航与定位性能测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主机器人导航与定位性能测试装置及测试方法，包括测试基准站、移动站，离线数据分析与处理系统。测试基准站由差分GPS基站、数传发射机、电源管理模块构成。移动站由GPS接收机模块、数传接收机、在线数据采集与处理系统、电源管理模块组成。测试基准站、移动站组成了高精度运动轨迹测试硬件装置，实时记录机器人运动路径信息数据。本发明方法中，被测机器人做严格直线运动、绕中心自转运动、Z字形状运动、以及按ISO-3888-1国际标准构建的测试航迹。离线数据分析与处理系统统计分析机器人的位置信息，实现机器人导航与定位性能评估。本发明具有测试精度高、动态性能好等优点。

Description

一种自主移动机器人导航与定位性能测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于测试与控制领域，涉及运动目标导航与定位性能测试装置和测试方法，具体的说是一种自主移动机器人导航与定位性能测试装置及测试方法。

背景技术

在工业制造和物流自动化、民用车辆智能化、军事侦察和作战、自然灾害和安全救援、极地和外星探险等方面的应用已经充分体现移动机器人的重要价值，提高移动机器人的自主能力是一项十分紧迫的任务，也是国际机器人技术研究最为前沿的挑战。然而，导航与定位系统是移动机器人感知外部环境、实现自主运动的核心技术，已经提出惯性导航、视觉导航、激光雷达导航、卫星导航以及融合多种信息的组合导航方法等等。上述导航方式与算法表现出不同的优势，如何测试和评估自主移动机器人导航与定位系统的性能，成为推动或促进自主移动机器人发展的关键技术。目前，尚未检索到自主移动机器人导航与定位系统性能测试装置与系统的评估方法。因此，研制高精度导航与定位性能测试装置、测试与评估方法，实现各类自主移动机器人导航与定位性能的测试与评估，对于改进导航与定位算法，提高自主移动机器人导航与定位性能具有重要的实际意义。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种自主移动机器人导航与定位性能测试装置及测试方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种自主移动机器人导航与定位性能测试装置，包括：

测试基准站，固定于任意空旷的位置，用于向所述测试移动站发送校正信息；

测试移动站，固定于被测机器人上，与所述测试基准站无线通讯，用于实时采集、记录机器人的位置信息；

离线数据处理与评估系统，与所述测试移动站通讯，用于根据所述测试移动站采集的数据信息，实现自主移动机器人导航与定位性能指标的评估。

所述测试基准站包括：

差分GPS基站，用于实时获取GPS数据信息并通过串口传递给数传发射机，其参数通过串口进行设置；

数传发射机，将实时GPS数据信息作为校正信息发送给测试移动站；

电源管理模块，用于实现交流220V电源到+12V直流电源的转换，并提供给所述差分GPS基站和数传发射机。

所述测试移动站包括：

数传接收机，用于接收所述测试基准站发送的校正信息，并通过串口传递给GPS接收机；

GPS接收机，接收所述数传接收机发送的校正信息，融合自身接收的位置信息数据，得到被测机器人的定位信息；

总线嵌入式控制器，与所述GPS接收机串口通讯，

显示窗口，为触摸屏，通过图形界面实现外部控制指令的输入和信息显示；

电源管理模块，用于实现直流+24V电源到+5V、+12V的转换，分别供给数传接收机和总线嵌入式控制器、GPS接收机。

所述定位性能指标包括定位精度、速度指标、导航效率；

所述定位精度包括静态定位误差和动态轨迹误差；

所述静态定位误差包括机器人的X轴误差最大值、X轴误差均值、X轴误差标准差、Y轴误差最大值、Y轴误差均值、Y轴误差标准差；

所述动态轨迹误差包括机器人的位置误差最大值、位置误差均值、位置误差标准差、航向偏差最大值、航向偏差均值、航向偏差标准差；所述速度指标包含速度最大值、速度均质；所述导航效率指标包含完成任务时间、轨迹总体长度、曲率能量。所述测试移动站与所述离线数据处理与评估系统采用FTP通讯方式。

一种自主移动机器人导航与定位性能测试方法，包括以下步骤：

被测机器人做直线运动、绕中心自转运动、Z字形状运动、以及ISO-3888-1国际标准构建的测试航迹运动，对被测机器人进行路径跟踪，得到被测机器人的实际运动轨迹。

当被测机器人做直线运动时，

设严格直线运动起点坐标为(x₁，y₁)、终点坐标为(x₂，y₂)，对于自主移动机器人经过的轨迹点(x_i，y_i)，直线路径轨迹误差为

$d=-\frac{(y_2-y_1)x_i+(x_1-x_2)y_i+(x_2{y}_1-x_1{y}_2)}{\sqrt{{(y_2-y_1)}^2+{(x_1-x_2)}^2}}$

当被测机器人做绕中心自转运动时，轨迹误差为实际轨迹点到自转中心的距离与理想自转运动半径的差值。

当被测机器人做Z字形状运动或按ISO-3888-1国际标准构建的测试航迹运动时，轨迹误差包含直线运动轨迹误差、绕中心自转运动轨迹误差2部分。

还包括：计算表示被测机器人行走路径的弯曲程度的曲率能量，具体为：设路径上任意点(x_i，f(x_i))的曲率为k，则

$k(x_i,f\left(x_i\right))=\frac{f^{\′\′}\left(x_i\right)}{{(1+{\left(f^{\′}\left(\mathrm{xi}\right)\right)}^2)}^{3/2}}$

曲率能量B_E为每个点的曲率平方和的均值：

$B_E=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}^2(x_i,f\left(x_i\right))$

其中，n表示测试点的数量。

本发明具有以下优点及有益效果：

1、具有测试精度高、动态性能好等优点，5km直径范围内，自主移动机器人导航与定位性能测试装置测试精度误差2cm。

2、本发明具有良好的人机操作界面，操作过程可视化、简单。

3、本发明中导航与定位性能测试装置，以及性能指标测试与评估方法，解决了自主移动机器人导航与定位性能指标测试问题。

4、本发明适合于野外空旷环境下自主移动机器人导航与定位性能的测试。

附图说明

图1为本发明的系统组成图；

图2为本发明的测试基准站组成图。

图3为本发明的移动站组成图。

图4为本发明的自主移动机器人性能指标。

图5为本发明的4种测试航迹。

图6本发明实现自主移动机器人性能测试框架。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

图1为自主移动机器人导航与定位性能测试装置系统组成图，包括测试基准站、由数传接收机、GPS接收机及在线GPS数据采集与处理计算机组成的测试移动站、离线数据处理与评估系统，测试基准站与测试移动站之间采用无线通讯，测试移动站与离线数据处理与评估系统采用FTP通讯方式。移动基准站实时接收测试基准站的校正信息，实现被测自主移动机器人运行轨迹测试。

如图2所示，测试基准站中，电源管理模块实现交流220V电源到+12V直流电源的转化，并提供给数传发射机、差分GPS基站，差分GPS基站实时获取GPS数据信息并通过串口传递给数传发射机，实现校正信息的发送。可通过串口设置差分GPS基站的参数。

如图3所示，测试移动站中，电源管理模块实现直流+24V电源到+5V、+12V的转化，分别供给数传接收机和PC104总线嵌入式控制器、GPS接收机，数传接收机接收到的校正数据通过串口传递给GPS接收机，GPS接收机融合自身接收的GPS数据、校正数据获得高精度的定位信息。

PC104总线控制计算机与GPS接收机采用串口通讯，实现GPS定位信息的实时采集，显示窗口具有触摸屏，通过图形界面实现数据的采集、存储、运行状态监视等操作。

离线数据处理与评估系统，进行测试数据的融合，获得自主移动机器人导航与定位性能指标的评价结果。

如图4所示，定位性能指标包括定位精度、速度指标、导航效率；所述定位精度包括静态定位误差和动态轨迹误差；所述静态定位误差包括机器人的X轴误差最大值、X轴误差均值、X轴误差标准差、Y轴误差最大值、Y轴误差均值、Y轴误差标准差；所述动态轨迹误差包括机器人的位置误差最大值、位置误差均值、位置误差标准差、航向偏差最大值、航向偏差均值、航向偏差标准差；所述速度指标包含速度最大值、速度均质；所述导航效率指标包含完成任务时间、轨迹总体长度、曲率能量。

静态定位误差实现自主移动机器人惯性导航装置系统的性能的测试，测试方法：在移动机器人静止不同的条件下，开启自主移动机器人导航与定位性能测试装置，实时获取机器人导航定位信息。评估方法：计算机器人导航定位数据与静止点位置的偏差。

如图5所示，自主移动机器人性能测试方法为路径跟踪方法，被测机器人做严格直线运动、绕中心自转运动、Z字形状运动、以及按ISO-3888-1国际标准构建的测试航迹。

动态轨迹定位精度测试方法，对于严格直线航迹(起点A(x₁，y₁)、终点B(x₂，y₂))，自主移动机器人沿A运动到B，反复3次。评估方法：按照下式计算直线路径轨迹误差并取平均值作为测试结果。

$d=-\frac{(y_2-y_1)x_i+(x_1-x_2)y_i+(x_2{y}_1-x_1{y}_2)}{\sqrt{{(y_2-y_1)}^2+{(x_1-x_2)}^2}}$

动态轨迹误差测试方法，对于绕中心自转航迹，理想航迹参数为中心点坐标O(x，y)、半径为r，自主移动机器人按照顺时针、逆时针方式，各反复3次。评估方法：对于轨迹运动轨迹任意点(x_i,y_i)，绕中心自转航迹误差为

$d=\sqrt{{(y-y_i)}^2+{(x-x_i)}^2}-r$

计算每次测试过程的绕中心自转航迹误差，并取平均值作为测试结果。

对于Z字形状航迹、按ISO-3888-1国际标准构建的测试航迹的动态轨迹定位误差测试，在航迹拐点处参照绕中心自转航迹的测试，其他处参照直线航迹可获得相应的航迹误差。

利用动态轨迹误差的测试数据，可直接获得被测自主移动移动机器人导航与定位速度、导航效率性能指标。

如图6所所示，自主移动机器人导航与定位性能测试装置测试流程：

1.开启测试基准站电源，持续采集GPS数据30分钟，对测试基站位置进行校准；

2.将测试移动站固定于被测自主移动机器人，开启测试移动站电源，等待1分钟，移动站卫星捕获，获取GPS数据；

3.按照设计的移动机器人自主导航定位能力测试技术方案，生成测试剧情，剧情数据作为理想的测试路径；

4.将测数路径提供给被测自主移动机器人，被测导航与定位系统利用自身的导航定位装备，实现剧情路径运动，并将导航路径周期的提供给车载测试系统；机器人运动测试过程中，测试移动站实时记录自身导航定位信息、移动机器人导航数据；

5.在地面站离线数据处理与评估系统中，实现测试装置导航定位数据、移动机器人导航数据、剧情数据的融合，进行指标的量化分析与综合评价，并显示评价结果。

Claims (10)

1.一种自主移动机器人导航与定位性能测试装置，其特征在于，包括：

测试基准站，固定于任意空旷的位置，用于向所述测试移动站发送校正信息；

测试移动站，固定于被测机器人上，与所述测试基准站无线通讯，用于实时采集、记录机器人的位置信息；

离线数据处理与评估系统，与所述测试移动站通讯，用于根据所述测试移动站采集的数据信息，实现自主移动机器人导航与定位性能指标的评估。

2.根据权利要求1所述的一种自主移动机器人导航与定位性能测试装置，其特征在于，所述测试基准站包括：

差分GPS基站，用于实时获取GPS数据信息并通过串口传递给数传发射机，其参数通过串口进行设置；

数传发射机，将实时GPS数据信息作为校正信息发送给测试移动站；

电源管理模块，用于实现交流220V电源到+12V直流电源的转换，并提供给所述差分GPS基站和数传发射机。

3.根据权利要求1所述的一种自主移动机器人导航与定位性能测试装置，其特征在于，所述测试移动站包括：

数传接收机，用于接收所述测试基准站发送的校正信息，并通过串口传递给GPS接收机；

GPS接收机，接收所述数传接收机发送的校正信息，融合自身接收的位置信息数据，得到被测机器人的定位信息；

总线嵌入式控制器，与所述GPS接收机串口通讯，

显示窗口，为触摸屏，通过图形界面实现外部控制指令的输入和信息显示；

电源管理模块，用于实现直流+24V电源到+5V、+12V的转换，分别供给数传接收机和总线嵌入式控制器、GPS接收机。

4.根据权利要求1所述的一种自主移动机器人导航与定位性能测试装置，其特征在于，所述定位性能指标包括定位精度、速度指标、导航效率；

所述定位精度包括静态定位误差和动态轨迹误差；

所述静态定位误差包括机器人的X轴误差最大值、X轴误差均值、X轴误差标准差、Y轴误差最大值、Y轴误差均值、Y轴误差标准差；

所述动态轨迹误差包括机器人的位置误差最大值、位置误差均值、位置误差标准差、航向偏差最大值、航向偏差均值、航向偏差标准差；

所述速度指标包含速度最大值、速度均质；

所述导航效率指标包含完成任务时间、轨迹总体长度、曲率能量。

5.根据权利要求1所述的一种自主移动机器人导航与定位性能测试装置，其特征在于，所述测试移动站与所述离线数据处理与评估系统采用FTP通讯方式。

6.一种自主移动机器人导航与定位性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

被测机器人做直线运动、绕中心自转运动、Z字形状运动、以及ISO-3888-1国际标准构建的测试航迹运动，对被测机器人进行路径跟踪，得到被测机器人的实际运动轨迹。

7.根据权利要求6所述的一种自主移动机器人导航与定位性能测试方法，其特征在于，当被测机器人做直线运动时，

设严格直线运动起点坐标为(x₁，y₁)、终点坐标为(x₂，y₂)，对于自主移动机器人经过的轨迹点(x_i，y_i)，直线路径轨迹误差为

$d=-\frac{(y_2-y_1)x_i+(x_1-x_2)y_i+(x_2{y}_1-x_1{y}_2)}{\sqrt{{(y_2-y_1)}^2+{(x_1-x_2)}^2}}$

8.根据权利要求6所述的一种自主移动机器人导航与定位性能测试方法，其特征在于，当被测机器人做绕中心自转运动时，轨迹误差为实际轨迹点到自转中心的距离与理想自转运动半径的差值。

9.根据权利要求6所述的一种自主移动机器人导航与定位性能测试方法，其特征在于，当被测机器人做Z字形状运动或按ISO-3888-1国际标准构建的测试航迹运动时，轨迹误差包含直线运动轨迹误差、绕中心自转运动轨迹误差2部分。

10.根据权利要求6所述的一种自主移动机器人导航与定位性能测试方法，其特征在于，还包括：计算表示被测机器人行走路径的弯曲程度的曲率能量，具体为：设路径上任意点(x_i，f(x_i))的曲率为k，则

$k(x_i,f\left(x_i\right))=\frac{f^{\′\′}\left(x_i\right)}{{(1+{\left(f^{\′}\left(\mathrm{xi}\right)\right)}^2)}^{3/2}}$

曲率能量B_E为每个点的曲率平方和的均值：

$B_E=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}^2(x_i,f\left(x_i\right))$

其中，n表示测试点的数量。