CN106323335B - 一种可重构室内移动机器人导航性能测评仪及其测评方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可重构室内移动机器人导航性能测评仪，包括定位传感器、摄影测量系统、计算机、移动机器人以及设置于移动机器人上的测量标靶；所述定位传感器和摄影测量系统均与计算机连接；所述定位传感器设置于测试环境上方或侧面。方法包括：对测量标靶进行标定；根据相邻的两个定位传感器探测的重叠区域内测量标靶得到各定位传感器之间的矢量位置关系；计算机根据各定位传感器之间的矢量位置关系实时得到移动机器人的位置和航向。本发明中多台定位传感器可进行重新组合适应不同面积大小的测试环境，适用于体积大、中、小型号的室内移动机器人导航性能测试。

Description

一种可重构室内移动机器人导航性能测评仪及其测评方法

技术领域

本发明涉及移动机器人导航性能指标测评装置及其测评方法，特别涉及一种可重构室内移动机器人导航性能测评仪及其测评方法，属于测试与控制领域。

背景技术

机器人产业已成为世界各国高度关注的战略性新兴产业，多个国家已提出机器人发展国家战略，推动本国机器人和自主系统技术的研发与创新。如何检测和评价机器人的质量,对提到机器人性能、和应用具有重要意义。我国正在积极筹建国家机器人质量监督检验中心。自主导航技术是实现机器人在未知环境中自主运动能力的一项最为关键的技术，自主导航技术能力的检测和评价是推进自主系统技术发展的核心内容。

目前，世界范围内系统性的自主移动平台性能测试与评价研究工作，仅体现在美国国家标准研究院应急响应机器人测试、以及无人车大赛车辆性能评测2个方面。美国国家标准研究院2005年开展了一项应急响应机器人标准测试方法的研究项目，其目标是开发机器人性能测试标准。涉及导航性能测试项目主要随机迷宫、复杂地形的迷宫走廊地图构建、稀疏特征迷宫地图构建等任务。评价机器人导航性能的核心是跟踪路径、识别标志并进行不同响应，目标遍历程度和完成任务时间是性能评价的主要指标。世界范围内举办的历届无人车挑战赛直接将安全、快速地到达目的地作为考核指标，通过比赛规则裁判组进行评分来评价安全性、平稳性、智能性，以及速度指标。

文献资料调研结果表明：如何定量的、客观的评价导航技术的性能尚未有统一的标准，且缺少相关的专用测量设备。

发明内容

为解决室内大范围测试环境下，移动机器人导航性能指标体系和性能指标测评问题，本发明提供了一种具有可重构能力的移动机器人导航性能评测仪。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种可重构室内移动机器人导航性能测评仪，包括定位传感器、摄影测量系统、计算机、移动机器人以及设置于移动机器人上的测量标靶；所述定位传感器和摄影测量系统均与计算机连接；所述定位传感器设置于测试区域的上面或侧面。

所述定位传感器为多个；多个定位传感器为纵向和/或横向排列。

所述定位传感器的探测区域与相邻的定位传感器的探测区域有重叠。

所述测量标靶为两个，通过测量桁架固定于移动机器人上。

所述测量桁架包括支架和伸缩杆；伸缩杆通过支架水平固定于移动机器人上；伸缩杆两端分别固定有测量标靶。

所述测量标靶包括半球体以及均匀设置于其表面的多个反射靶。

一种可重构室内移动机器人导航性能测评方法，包括以下步骤：

1)通过定位传感器和摄影测量系统对测量标靶进行标定，得到测量标靶的中心位置以及两个测量标靶的中心距；

2)根据相邻两个定位传感器探测重叠区域内的标定靶得到任意相邻两个定位传感器之间的矢量位置关系；

3)移动机器人在多个定位传感器探测区域内移动；当移动机器人进入某个定位传感器的探测区域时，该定位传感器探测移动机器人上的测量标靶表面反射靶的位置并反馈至计算机，计算机根据若干反射靶位置得到测量标靶的中心位置以及两个测量标靶的中心距；然后根据各定位传感器之间的矢量位置关系实时得到移动机器人的位置和航向；

4)将得到的位置、航向通过层次分析法、数理统计和回归分析得到设定指标的评分,实现移动机器人导航性能的测评。

所述通过定位传感器和摄影测量系统对测量标靶进行标定包括以下步骤：

通过摄影测量系统围绕每个测量标靶拍摄得到多幅测量标靶的图像，计算机根据图像得到每个测量标靶表面各反射靶位置以及各反射靶相对于该测量标靶中心的位置D_m,k(m＝1,2；k＝1,2,…,12),其中，下标m表示桁架两端的测量标靶，k表示测量靶标m中的第k个反射靶；

根据两个测量标靶的中心位置得到两个测量标靶的中心距D_d。

所述根据每相邻的两个定位传感器探测的重叠区域得到各定位传感器之间的矢量位置关系包括以下步骤：

在每个相邻两个定位传感器(a,b)的探测重叠区域内任选一点固定标定靶，这两个定位传感器之间的矢量位置关系如下：

R_a,b＝Q_a,j-Q_b,j

其中，(a,b)表征具有重叠区域的定位传感器对；R_a,b表示定位传感器b相对于定位传感器a的位置矢量；矢量Q_a,,j、Q_b,j分别表示标定靶j在定位传感器a、定位传感器b坐标系下的位置。

所述根据各定位传感器之间的矢量位置关系实时得到移动机器人(4)的位置和航向包括以下步骤：

首先当移动机器人进入定位传感器i的测量区域内，根据定位传感器i采集到的反射靶k的位置L_m,k(m＝1,2)和各反射靶相对于该测量标靶中心的位置D_m,k，保证误差

最小的条件下，采用最小二乘法得到该测量标靶相对于定位传感器i的位置矢量P_m,i；K为定位传感器i能够采集到的反射靶的数目；

然后根据测量标靶m在定位传感器i中的位置P_m,i和所经历的n个定位传感器的相对位置R_a,b，计算测量标靶m的绝对位置：S_m,t＝ΣR_a,b+P_m,i，i≥2；n为重叠区域的个数；

矢量S_m,t表示任意测量时刻t测量标靶m相对于定位传感器1的绝对位置；矢量P_m,i表示测量靶标m相对于定位传感器i的位置；R_a,b表示定位传感器b相对于定位传感器a的位置矢量；

最后，根据任意测量时刻t两个测量标靶的位置S_1,t和S_2,t,直接得到移动机器人的位置矢量S_1,t或S_2,t，以及表征机器人航向角的矢量S_1,t–S_2,t。

本发明具有以下有益效果及优点：

1、本发明中多台式定位传感器可进行重新组合适应不同面积大小的测试环境。

2、本发明采用的测量桁架可伸缩，标定简单，适用于体积大、中、小型号的室内移动机器人导航性能测试。

3、本发明具有测量精度高、动态特性好等优点，水平定位精度±1厘米、航向精度±0.6度。

4、本发明涉及一种可重构室内移动机器人导航性能评测仪器和导航性能指标体系，实现移动机器人导航性能的测量和综合评估，提供科学的依据，使学者能够发现导航算法或系统存在的问题，促进机器人和自主系统的创新。也为移动机器人的生产者、销售者和购置者提供更为统一、直观、准确的评价标准。

附图说明

图1为本发明的系统组成图。

图2为多台定位传感器可重构示意图。

图3为不规则测试环境下的多台定位传感器可重构示意图。

图4为本发明的测量桁架结构示缩短状态示意图。

图5本发明的测量桁架结构伸长状态示意图。

图6为任意相邻两台定位传感器的被测机器人位置确定示意图。

其中，1、定位传感器，2、摄影测量系统，3、计算机，4、移动机器人，5、测量标靶，6、测量桁架，7、支架，8、伸缩杆，9、反射靶，10、标靶安装座，11、直线轴承。

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为可重构室内移动机器人导航性能测评仪组成图，包括多个定位传感器、测量桁架、摄影测量系统以及计算机。定位传感器、摄影测量系统采用专用电缆与计算机连接。图1组成图仅给出了2台定位传感器布置图。

定位传感器为跟踪反射靶标识装置，精确测量反射靶的位置；采用双摄像头传感器(Handyprobe780,Creaform Inc.Canada)。双摄像头传感器设于测试区域的上方或侧面，可进行任意的串行、并行排列组合适应任意范围的测试环境，任意相邻的两台定位传感器之间存在测量重叠区域。相邻定位传感器间被测机器人的位置通过放置在重叠区域的标定靶位置来确定的。

图2为多台定位传感器可重构示意图，双像头传感器可进行串行、并行排列，测量范围的长度和宽度分别为N(4-L)+L，M(4-L)+L(单位为米)，其中单台定位传感器测量范围为4米×4米；沿长度方向排列N个传感器；沿宽度方向排列M个传感器；L为两个定位传感器重合区域的宽度。

图3为不规则测试环境下，多台定位传感器可重构示意图，本专利所述的导航性能测评仪可重构特性体现在：可根据测试环境的覆盖区域进行定位传感器任意的布置，布置时必须保证任意相邻的两台定位传感器之间存在测量重叠区域。

图4为可伸缩式测量桁架图，作为定位传感器实时跟踪的测量靶。测量桁架安装于被测机器人本体上，可依据被测移动机器人的体积大小，调整两端测量标靶的距离。

如图4-5所示，伸缩式测量桁架两端安装有测量标靶，作为测量被测机器人航迹和航向跟踪目标靶；测量桁架安装在被测机器人本体上，伸缩式结构设计改变桁架的尺寸可满足不同体积大小的移动机器人的测试需求；测量桁架包括支架和长度方向可伸缩的靶标，两端安装有测量标靶，测量标靶上均布有12个反射靶作为目标跟踪标识。

测量桁架由四根伸缩杆、两侧的标靶安装座、以及中间的方盒、支架组成。桁架左/右的两根伸缩杆的一端与标靶安装座相连，另一端通过直线轴承与中间的方盒相连并能够在直线轴承中左右移动。中间方盒的左右两侧对称安装四个直线轴承对应四根伸缩杆，方盒的底面有四个螺纹孔用来安装固定顶丝，实现导向杆的位置锁定。当需要调整桁架两端标靶安装座的距离时，拧松固定顶丝并将安装座向内/外拉出，到达指定位置后，将固定顶丝拧紧固定伸缩杆。

摄影测量系统采用手持式摄影测量系统(MAXShot,Creaform Inc.Canada)即摄影机，用于标定测量靶标的中心位置以及两个靶标间的中心距离。

双摄像头传感器实时跟踪测量标靶，获取测量标靶的位置。计算机实时采集测量标靶的位置信息，并推算被测机器人的航迹和航向，采用基于航迹的方法定量评估机器人导航性能指标，并生成导航性能评估报告。

图6为任意相邻定位传感器被测机器人位置确定图，通过在测量重叠区域内放置标定靶确定相邻两定位传感器的绝对位置。其中，标定靶为高精度位置标定的基准靶。

计算机实现多个定位传感器、摄影测量系统的控制，实现反射靶位置的同步测量与存储、解算被测机器人的运动航迹和航向，并采用常用的层次分析法、数理统计和回归分析得到设定项指标的评分；根据各指标的得分设定等级，用于对机器人导航性能的测评。被测移动机器人的导航性能指标具体包括距离障碍物平均距离、距离障碍物最小距离、距障碍物最小距离平均值、平均速度、速度分布、路径平滑度、路径长度、曲率半径、完成任务时间、停机次数和时间、任务覆盖度以及有效运动时间等。

相邻定位传感器间机器人的绝对位置通过放置在重叠区域的标定靶位置来确定的，如图6所示。矢量S_m,t表示任意测量时刻t测量标靶m相对于定位传感器1的绝对位置；矢量P_m,i表示测量标靶m相对于定位传感器i的位置；矢量Q_a,j、Q_b,j分别表示标定靶j在相邻两定位传感器a、定位传感器b坐标系下的位置；R_a,b表示定位传感器a相对于定位传感器b的位置矢量。因此，根据标定靶的位置直接得到

R_a,b＝Q_a,j-Q_b,j   (公式1)

当移动机器人经历第i个定位传感器时，测量标靶m的位置矢量为

S_m,t＝ΣR_a,b+P_m,i   (公式2)

可重构室内移动机器人导航性能评测仪的测试流程：

1.依据测试环境，对定位传感器进行配置，确保测量范围覆盖测试环境；

2.将标定靶置于相邻定位传感器重叠区域，保证相邻两个定位传感器能够拍摄到标定靶，并依据公式1确定相邻定位传感器的相对位置关系：

在每个相邻两个定位传感器(a,b)的探测重叠区域内任选一点固定标定靶，这两个定位传感器之间的矢量位置关系如下：

R_a,b＝Q_a,j-Q_b,j

其中，(a,b)表征具有重叠区域的定位传感器对；R_a,b表示定位传感器b相对于定位传感器a的位置矢量；矢量Q_a,,j、Q_b,j分别表示标定靶j在定位传感器a、定位传感器b坐标系下的位置。

3.被测机器人驶入测试环境中，手持摄影测量系统对测量桁架拍摄多组会聚照片，获得测量标靶中心与各个反射靶的相对位置关系D_m,k、以及桁架上测量标靶中心间的距离D_d。

4.被测机器人按照预定的任务进行规划运动，通过测试环境，可重构室内移动机器人导航性能评测仪将根据公式2确定测量标靶的位置S_m,t。当移动机器人经过定位传感器i、i+1重叠区域时,采用测量标靶在定位传感器i、i+1中位置的均值作为测量标靶的位置S_m,t。具体步骤如下：

首先当移动机器人进入定位传感器i的测量区域内，根据定位传感器i采集到的反射靶k的位置L_m,k(m＝1,2)和各反射靶相对于该测量标靶中心的位置D_m,k，保证误差

最小的条件下，采用最小二乘法得到该测量标靶相对于定位传感器i的位置矢量P_m,i；K为定位传感器i能够采集到的反射靶的数目，工作过程中，K≥3；

然后根据测量标靶m在定位传感器i中的位置P_m,i和所经历的n个定位传感器的相对位置R_a,b，计算测量标靶m的绝对位置：S_m,t＝ΣR_a,b+P_m,i，i≥2；n为重叠区域的个数；

矢量S_m,t表示任意测量时刻t测量标靶m相对于定位传感器1的绝对位置；矢量P_m,i表示测量靶标m相对于定位传感器i的位置；R_a,b表示定位传感器b相对于定位传感器a的位置矢量。

5.计算机实时记录测量靶标的位置信息，根据任意测量时刻t测量标靶的位置S_m,t,直接得到移动机器人的位置矢量S_1,t和S_2,t，以及表征机器人航向角的矢量S_1,t–S_2,t，其中位置矢量S_1,t或S_2,t的集合作为航迹。结合测试环境要素特征，采用层次分析法、数理统计及回归分析方法实现导航性能指标的评估，最终生成测试报告。

Claims (8)

1.一种可重构室内移动机器人导航性能测评仪，其特征在于：包括定位传感器(1)、摄影测量系统(2)、计算机(3)、移动机器人(4)以及设置于移动机器人(4)上的测量标靶(5)；所述定位传感器(1)和摄影测量系统(2)均与计算机(3)连接；所述定位传感器(1)设置于测试区域的上面或侧面；

所述测评仪用于一种可重构室内移动机器人导航性能测评方法，包括以下步骤：

1)通过定位传感器(1)和摄影测量系统(2)对测量标靶(5)进行标定，得到测量标靶(5)的中心位置以及两个测量标靶(5)的中心距；

2)根据相邻两个定位传感器探测重叠区域内的标定靶得到该相邻两个定位传感器之间的矢量位置关系；

3)移动机器人(4)在多个定位传感器探测区域内移动；当移动机器人(4)进入某个定位传感器的探测区域时，该定位传感器探测移动机器人(4)上的测量标靶(5)表面反射靶(9)的位置并反馈至计算机(3)，计算机(3)根据若干反射靶(9)位置得到测量标靶(5)的中心位置以及两个测量标靶(5)的中心距；然后根据各定位传感器之间的矢量位置关系实时得到移动机器人(4)的位置和航向；

4)将得到的位置、航向通过层次分析法、数理统计和回归分析得到设定指标的评分,实现移动机器人导航性能的测评；

所述通过定位传感器(1)和摄影测量系统(2)对测量标靶(5)进行标定包括以下步骤：

通过摄影测量系统(2)围绕每个测量标靶(5)拍摄得到多幅测量标靶(5)的图像，计算机(3)根据图像得到每个测量标靶(5)表面各反射靶(9)位置以及各反射靶(9)相对于该测量标靶(5)中心的位置D_m,k，m＝1,2；k＝1,2,…,12,其中，下标m表示桁架两端的测量标靶，k表示测量靶标m中的第k个反射靶；

根据两个测量标靶(5)的中心位置得到两个测量标靶(5)的中心距D_d；所述根据各定位传感器之间的矢量位置关系实时得到移动机器人(4)的位置和航向包括以下步骤：

首先当移动机器人进入定位传感器i的测量区域内，根据定位传感器i采集到的反射靶k的位置L_m,k，m＝1,2和各反射靶相对于该测量标靶中心的位置D_m,k，保证误差

最小的条件下，采用最小二乘法得到该测量标靶相对于定位传感器i的位置矢量P_m,i；K为定位传感器i能够采集到的反射靶的数目；

然后根据测量标靶m在定位传感器i中的位置P_m,i和所经历的n个定位传感器的相对位置R_a,b，计算测量标靶m的绝对位置：S_m,t＝∑R_a,b+P_m,i，i≥2；n为重叠区域的个数；

矢量S_m,t表示任意测量时刻t测量标靶m相对于定位传感器i的绝对位置；矢量P_m,i表示测量靶标m相对于定位传感器i的位置；R_a,b表示定位传感器b相对于定位传感器a的位置矢量；

最后，根据任意测量时刻t两个测量标靶的位置S_1,t和S_2,t,直接得到移动机器人的位置矢量S_1,t或S_2,t，以及表征机器人航向角的矢量S_1,t–S_2,t。

2.根据权利要求1所述的一种可重构室内移动机器人导航性能测评仪，其特征在于所述定位传感器(1)为多个；多个定位传感器为纵向和/或横向排列。

3.根据权利要求2所述的一种可重构室内移动机器人导航性能测评仪，其特征在于所述定位传感器(1)的探测区域与相邻的定位传感器的探测区域有重叠。

4.根据权利要求1所述的一种可重构室内移动机器人导航性能测评仪，其特征在于所述测量标靶(5)为两个，通过测量桁架(6)固定于移动机器人(4)上。

5.根据权利要求4所述的一种可重构室内移动机器人导航性能测评仪，其特征在于所述测量桁架(6)包括支架(7)和伸缩杆(8)；伸缩杆(8)通过支架(7)水平固定于移动机器人(4)上；伸缩杆(8)两端分别固定有测量标靶(5)。

6.根据权利要求1或4所述的一种可重构室内移动机器人导航性能测评仪，其特征在于所述测量标靶(5)包括半球体以及均匀设置于其表面的多个反射靶(9)。

7.一种可重构室内移动机器人导航性能测评方法，其特征在于包括以下步骤：

1)通过定位传感器(1)和摄影测量系统(2)对测量标靶(5)进行标定，得到测量标靶(5)的中心位置以及两个测量标靶(5)的中心距；

2)根据相邻两个定位传感器探测重叠区域内的标定靶得到该相邻两个定位传感器之间的矢量位置关系；

3)移动机器人(4)在多个定位传感器探测区域内移动；当移动机器人(4)进入某个定位传感器的探测区域时，该定位传感器探测移动机器人(4)上的测量标靶(5)表面反射靶(9)的位置并反馈至计算机(3)，计算机(3)根据若干反射靶(9)位置得到测量标靶(5)的中心位置以及两个测量标靶(5)的中心距；然后根据各定位传感器之间的矢量位置关系实时得到移动机器人(4)的位置和航向；

4)将得到的位置、航向通过层次分析法、数理统计和回归分析得到设定指标的评分,实现移动机器人导航性能的测评；

所述通过定位传感器(1)和摄影测量系统(2)对测量标靶(5)进行标定包括以下步骤：

通过摄影测量系统(2)围绕每个测量标靶(5)拍摄得到多幅测量标靶(5)的图像，计算机(3)根据图像得到每个测量标靶(5)表面各反射靶(9)位置以及各反射靶(9)相对于该测量标靶(5)中心的位置D_m,k，m＝1,2；k＝1,2,…,12,其中，下标m表示桁架两端的测量标靶，k表示测量靶标m中的第k个反射靶；

根据两个测量标靶(5)的中心位置得到两个测量标靶(5)的中心距D_d；

所述根据各定位传感器之间的矢量位置关系实时得到移动机器人(4)的位置和航向包括以下步骤：

首先当移动机器人进入定位传感器i的测量区域内，根据定位传感器i采集到的反射靶k的位置L_m,k，m＝1,2和各反射靶相对于该测量标靶中心的位置D_m,k，保证误差

最小的条件下，采用最小二乘法得到该测量标靶相对于定位传感器i的位置矢量P_m,i；K为定位传感器i能够采集到的反射靶的数目；

然后根据测量标靶m在定位传感器i中的位置P_m,i和所经历的n个定位传感器的相对位置R_a,b，计算测量标靶m的绝对位置：S_m,t＝∑R_a,b+P_m,i，i≥2；n为重叠区域的个数；

矢量S_m,t表示任意测量时刻t测量标靶m相对于定位传感器i的绝对位置；矢量P_m,i表示测量靶标m相对于定位传感器i的位置；R_a,b表示定位传感器b相对于定位传感器a的位置矢量；

最后，根据任意测量时刻t两个测量标靶的位置S_1,t和S_2,t,直接得到移动机器人的位置矢量S_1,t或S_2,t，以及表征机器人航向角的矢量S_1,t–S_2,t；

所述一种可重构室内移动机器人导航性能测评方法通过如权利要求1所述的一种可重构室内移动机器人导航性能测评仪实现。

8.根据权利要求7所述的一种可重构室内移动机器人导航性能测评方法，其特征在于所述根据相邻两个定位传感器探测重叠区域内的标定靶得到该相邻两个定位传感器之间的矢量位置关系包括以下步骤：

在每个相邻两个定位传感器(a,b)的探测重叠区域内任选一点固定标定靶，这两个定位传感器之间的矢量位置关系如下：

R_a,b＝Q_a,j-Q_b,j

其中，(a,b)表征具有重叠区域的定位传感器对；R_a,b表示定位传感器b相对于定位传感器a的位置矢量；矢量Q_a,,j、Q_b,j分别表示标定靶j在定位传感器a、定位传感器b坐标系下的位置。

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