CN111123201B - 基于多超声波传感器的自主移动机器人目标定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多超声波传感器的自主移动机器人目标定位方法及装置。该装置由超声波传感器模块和超声波测量模块组成。超声波传感器模块由三个收发一体的超声波传感器组成，传感器的位置不给予特殊限制，以扩大该方法的适用范围。本发明利用三个收发一体的超声波传感器获得渡越时间，通过渡越时间的比值计算得到目标位置信息，避免了环境温度变化对超声波定位精度的影响。本发明为基于多超声波传感器的自主移动机器人目标定位提供了新的借鉴，能够通过三个收发一体的超声波传感器实现较高精度的定位，同时具有传感器结构简单、安装灵活方便和价格低等优点。

Description

基于多超声波传感器的自主移动机器人目标定位方法及装置

技术领域

本发明涉及基于多超声波传感器的自主移动机器人目标定位技术，尤其涉及一种较高精度的自主移动机器人超声波目标定位方法及装置。

背景技术

随着计算机科学、自动控制技术以及人工智能的发展，自主移动机器人已经广泛应用于航空航天、工业、物流等领域。目标定位作为自主移动机器人技术中的关键技术之一，越来越受到重视。

目前，应用于自主移动机器人定位的传感器主要包括视觉传感器、激光传感器、红外传感器以及超声波传感器。这些传感器均可以在其适用环境中取得较好的定位结果，但也存在一定的缺陷。视觉传感器在弱光条件下难以正常工作且设备较为昂贵，易损坏。激光传感器无法实现对透明目标的测量。红外传感器受环境影响较大，目标颜色和周围光线的变化都会对测量结果产生影响。与其他传感器相比，超声波传感器有着低成本、低功耗以及低计算复杂性的优点，且其传输不受光线强弱的影响，因此，超声波传感器在自主移动机器人的定位中被广泛使用。

然而，基于超声波传感器的定位系统存在着定位精度不高的问题。超声波系统的定位精度主要取决于超声波的传播速度以及超声波的传输介质。传输介质的温度、压力、密度等都会对超声波的传播速度造成影响，在实际应用中会产生不可忽略的测量误差。且在诸多影响因素中，温度是造成超声波定位误差的主要来源之一。因此在定位过程中，需要考虑温度对超声波声速的影响。

在过去的几十年里，为了降低温度对超声波定位系统定位精度的影响，国内外的研究人员进行了大量的工作。包括增加额外的温度传感器、设置标志杆或附加矫正过程实现温度补偿。这几种补偿方法在各自的适用环境发挥着各自的优势，但同时也存在一定的缺陷。

最简单的方法是在超声波传感器旁边安装一个温度传感器，根据温度与声速的对应关系，计算出真实声速，从而实现超声波声速的补偿。但这种方法需要附加额外的温度传感器，增加了系统的复杂度，且所补偿的温度为传感器附近的点温度并非超声波传播路径上的环境温度。附加标志杆或标志物进行温度补偿的方法可以进行环境温度的补偿，且测量成本较低，但需要预先安装标志点，限制了该方法的适用范围。另一种温度补偿的方法利用超声波与计算机断层成像技术，获取障碍物的位置信息，但该方法需设计复杂的数学模型及昂贵的测量设备，不利于快速实时定位且测量成本较高。

因此，本发明提出了一种基于多超声波传感器的目标定位方法，可以在不附加额外温度传感器的情况下实现较高精度的定位。与传统的直接使用渡越时间进行定位的超声波定位方法不同，该方法利用三个超声波传感器渡越时间的比值，获得目标坐标，可以避免环境温度的变化对定位精度的影响。本发明所提出的测量方法可提高基于超声波传感器的自主移动机器人的定位精度，对传感器的布局不给予特殊限制，且同时具有传感器结构简单、安装灵活方便、价格低等优点。

发明内容

本发明的目的是克服在基于超声波的自主移动机器人目标定位时存在的定位精度不高问题，提供了一种新型的较高精度的自主移动机器人超声波定位方法及装置。本发明主要针对超声波传感器发射的超声波在空气中传播时易受环境温度影响而导致定位精度不高的问题，提出了一种利用渡越时间的比值对自主移动机器人进行目标定位的方法及装置，由此提高定位精度，具体技术方案如下：

一种基于多超声波传感器的自主移动机器人目标定位装置，其特征在于包括超声波传感器模块和超声波测量模块。其中，超声波传感器模块与超声波测量模块相连接。

所述的超声波传感器模块的具体组成及连接方式如下：

超声波传感器模块由三个收发一体的超声波传感器组成，其中，1号超声波传感器、2号超声波传感器和3号超声波传感器均通过导线与超声波测量模块相连接。

所述的超声波测量模块的具体组成及连接方式如下：

所述的超声波测量模块包括三个超声波发射单元、三个超声波接收单元、声道选择与切换单元、数据采集与处理单元和液晶显示屏；其中，每个超声波发射单元与相对应的超声波传感器模块中的超声波传感器相连；每个超声波接收单元与相对应的超声波传感器模块中的超声波传感器相连；声道选择与切换单元与所有的超声波发射单元和超声波接收单元相连；声道选择与切换单元与数据采集与处理单元相连；数据采集与处理单元与液晶显示屏相连。

所述的基于多超声波传感器的自主移动机器人目标定位方法其计算时的特征在于：

计算时利用两个超声波传感器渡越时间的比值，以超声波传感器模块中的任一超声波传感器测得的渡越时间作为分母，其余两超声波传感器测得的渡越时间分别作为分子获取渡越时间的比值，记为k₁，k₂。利用这两个比值进行计算，从而获得目标点位置。

本发明还提供一种如所述装置的自主移动机器人目标定位方法，其具体步骤如下：

1)由声道选择与切换单元依次选择相应的超声波发射单元发射一定形式的电压激励信号至超声波传感器模块中相对应的超声波传感器。

2)超声波传感器模块中的超声波传感器通过其内部的压电晶片将电压激励信号转换成超声信号。超声信号向外传输并在遇到目标后返回，返回的信号由同一个超声波传感器捕捉并将超声信号转换成电压回波信号后传送至其对应的超声波接收单元。

3)超声波接收单元接收到电压回波信号后对其进行滤波放大并将数据传送至数据采集与处理单元。

4)数据采集与处理单元接收各个超声波接收单元传来的数据，进行数据采集和渡越时间计算，利用两个超声波传感器渡越时间的比值，以超声波传感器模块中的任一超声波传感器测得的渡越时间作为分母，其余两超声波传感器测得的渡越时间分别作为分子获取渡越时间的比值，记为k₁，k₂，利用这两个比值进行计算，得到目标的具体位置，并将结果输送至液晶显示屏进行显示。

进一步的，所述的步骤4)具体为：

根据超声波测距的基本方法，目标与超声波传感器之间的距离可由(1)式获得。

式中，c_t为超声波在空气中的传播速度，Δt为超声波传播的渡越时间。

为实现自主移动机器人的目标定位，采用三个超声波传感器来实现，分别为S1、S2和S3。假设S1、S2和S3的坐标分别为(-a，0)、(0，0)和(b，c)。目标与S1、S2和S3的距离分别为l₁、l₂和l₃，对应的渡越时间分别为Δt₁、Δt₂和Δt₃。根据(1)式，可得：

在本方法中，采用渡越时间的比值来计算目标坐标(x，y)，考虑到当分母过小时计算误差会被放大的问题，选取三个渡越时间中的最大值作为分母，其余两超声波传感器测得的渡越时间分别作为分子获取渡越时间的比值，记为k₁，k₂，利用这两个比值进行求解可得到所求目标坐标(x，y)。

设Δt₂是三个渡越时间中的最大值，令：

则，k₁，k₂可表示为：

进一步，式(4)、(5)可表示为：

对(6)，(7)式两边取平方，并化简后可得：

(1-k₁ ²)x²+2ax+a²+(1-k₁ ²)y²＝0 (8)

(1-k₂ ²)x²-2bx+b²+(1-k₂ ²)y²-2cy+c²＝0 (9)

式(8)和(9)的解(x，y)即为所求目标坐标。

对实际求解进行详细讨论，根据k₁，k₂值的不同，可以分为以下四种情况：

1)当k₁＝1，k₂＝1，式(8)，(9)可表示为：：

目标坐标(x，y)为两直条线的交点，坐标值可表示为：

2)当k₁＝1，k₂≠1时，式(8)，(9)可表示为：：

目标坐标(x，y)为一条直线和圆的两个交点。两组坐标值可分别表示为：

3)当k₁≠1，k₂＝1时，式(8)，(9)可表示为：

目标坐标(x，y)为圆和一条直线的两个交点。两组坐标值可分别表示为：

其中

4)当k₁≠1，k₂≠1时，式(8)，(9)可表示为：

目标坐标(x，y)为两圆的两个交点，令

则两组坐标值可分别表示为：

上述四种情况中，只有第一种情况有唯一解，其余的三种情况均有两组解。在情况2)、3)和4)中，需要对两组解分别进行判别。对于情况2)、3)和4)分别计算其阈值ε，ε的表达式分别如下所示：

对于情况2)：

对于情况3)：

对于情况4)：

式中r₁、r₂和D由式(20)获得。

当计算得到的阈值ε大于系统设定的门限值ε₀时，因为环境温度变化范围有限使得合理声速也限制在一定的范围之内，两组解中通常只有一组解的声速处于此范围内，因此可以获得被测目标的确切位置。当计算得到的阈值ε小于系统设定的门限值ε₀时，令机器人在x轴或y轴移动一定距离后，再次计算阈值ε，重复移动与计算操作，直至计算得到的阈值ε大于系统设定的门限值ε₀，计算该位置对应的两组解，利用合理声速范围得到被测目标的确切位置。基于此，该方法可得到目标的位置信息，实现目标的定位，并避免了环境温度的影响。

本发明与现有技术相比具有有益效果：

(1)实现在不附加任何额外的标志杆或温度传感器的前提下避免环境温度对超声定位精度的影响。

(2)现有技术中附加额外的温度传感器进行校正时获取的是传感器附近区域的温度，与真实的超声波传播路径上的温度仍可能存在偏差，仅能从一定程度上减小温度对超声定位精度的影响，而本发明所提出的方法避免的是环境温度对超声定位精度的影响，将进一步提高定位精度。

(3)传感器安装方便，其位置不给予特殊限制。

(4)装置结构简单，价格低，可应用范围广。

附图说明

图1是基于多超声波传感器的自主移动机器人定位装置结构示意图；

图2是超声波测量模块结构图；

图3是通用布局配置下的传感器坐标示意图

图4是简化布局配置下的传感器坐标示意图

图5是特定布局配置下的传感器坐标示意图

图中：超声波传感器模块1，超声波测量模块2，1号超声波传感器3，2号超声波传感器4，3号超声波传感器5。

具体实施方式

如图1所示，一种基于多超声波传感器的自主移动机器人目标定位装置，其特征在于包括超声波传感器模块1和超声波测量模块2。其中，超声波传感器模块1与超声波测量模块2相连接。

如图1所示的超声波传感器模块的具体组成及连接方式如下：

超声波传感器模块1由三个收发一体的超声波传感器组成，其中，1号超声波传感器3、2号超声波传感器4和3号超声波传感器5均通过导线与超声波测量模块2相连接

如图2所示的超声波测量模块2的具体组成及连接方式如下：

所述的超声波测量模块2包括三个超声波发射单元、三个超声波接收单元、声道选择与切换单元、数据采集与处理单元和液晶显示屏；其中，每个超声波发射单元与相对应的超声波传感器模块1中的超声波传感器相连；每个超声波接收单元与相对应的超声波传感器模块1中的超声波传感器相连；声道选择与切换单元与所有的超声波发射单元和超声波接收单元相连；声道选择与切换单元与数据采集与处理单元相连；数据采集与处理单元与液晶显示屏相连。

如图3所示，基于多超声波传感器的自主移动机器人目标定位方法的通用布局配置模型如下：

根据超声波测距的基本方法，目标与超声波传感器之间的距离可由(1)式获得。

式中，c_t为超声波在空气中的传播速度，Δt为超声波传播的渡越时间。

为实现自主移动机器人的目标定位，采用三个超声波传感器来实现，分别为S1、S2和S3。假设S1、S2和S3的坐标分别为(-a，0)、(0，0)和(b，c)。目标与S1、S2和S3的距离分别为l₁、l₂和l₃，对应的渡越时间分别为Δt₁、Δt₂和Δt₃。根据(1)式，可得：

采用渡越时间的比值来计算目标坐标(x，y)。同时，考虑到当分母过小时计算误差会被放大的问题，选取三个渡越时间中的最大值作为分母，其余两超声波传感器测得的渡越时间分别作为分子获取渡越时间的比值，记为k₁，k₂，利用这两个比值进行求解可得到所求目标坐标(x，y)。设Δt₂是三个渡越时间中的最大值，令：

则，k₁，k₂可表示为：

进一步，式(4)、(5)可表示为：

对(6)，(7)式两边取平方，开化简后可得：

(1-k₁ ²)x²+2ax+a²+(1-k₁ ²)y²＝0 (8)

(1-k₂ ²)x²-2bx+b²+(1-k₂ ²)_y ²-2cy+c²＝0 (9)

式(8)和(9)的解(x，y)即为所求目标坐标。

对实际求解进行详细讨论，根据k₁，k₂值的不同，可以分为以下四种情况：

1)当k₁＝1，k₂＝1，式(8)，(9)可表示为：：

目标坐标(x，y)为两直条线的交点，坐标值可表示为：

2)当k₁＝1，k₂≠1时，式(8)，(9)可表示为：：

目标坐标(x，y)为一条直线和圆的两个交点。两组坐标值可分别表示为：

3)当k₁≠1，k₂＝1时，式(8)，(9)可表示为：

目标坐标(x，y)为圆和一条直线的两个交点。两组坐标值可分别表示为：

其中

4)当k₁≠1，k₂≠1时，式(8)，(9)可表示为：

目标坐标(x，y)为两圆的两个交点，令

则两组坐标值可分别表示为：

上述四种情况中，只有第一种情况有唯一解，其余的三种情况均有两组解。在情况2)、3)和4)中，需要对两组解分别进行判别。对于情况2)、3)和4)分别计算其阈值ε，ε的表达式分别如下所示：

对于情况2)：

对于情况3)：

对于情况4)：

式中r₁、r₂和D由式(20)获得。

当计算得到的阈值ε大于系统设定的门限值ε₀时，因为环境温度变化范围有限使得合理声速也限制在一定的范围之内，两组解中通常只有一组解的声速处于此范围内，因此可以获得被测目标的确切位置。当计算得到的阈值ε小于系统设定的门限值ε₀时，令机器人在x轴或y轴移动一定距离后，再次计算阈值ε，重复移动与计算操作，直至计算得到的阈值ε大于系统设定的门限值ε₀，计算该位置对应的两组解，利用合理声速范围得到被测目标的确切位置。基于此，该方法可得到目标的位置信息，实现目标的定位，并避免了环境温度的影响。

一种使用基于多超声波传感器的自主移动机器人目标定位装置的具体使用步骤如下：

1)由声道选择与切换单元依次选择相应的超声波发射单元发射一定形式的电压激励信号至超声波传感器模块1中相对应的超声波传感器。

2)超声波传感器模块1中的超声波传感器通过其内部的压电晶片将电压激励信号转换成超声信号。超声信号向外传输并在遇到目标后返回，返回的信号由同一个超声波传感器捕捉并将超声信号转换成电压回波信号后传送至其对应的超声波接收单元。

3)超声波接收单元接收到电压回波信号后对其进行滤波放大并将数据传送至数据采集与处理单元。

4)数据采集与处理单元接收各个超声波接收单元传来的数据，进行数据采集和渡越时间计算，利用两个超声波传感器渡越时间的比值，以超声波传感器模块中的任一超声波传感器测得的渡越时间作为分母，其余两超声波传感器测得的渡越时间分别作为分子获取渡越时间的比值，记为k₁，k₂，利用这两个比值进行计算，得到目标的具体位置，并将结果输送至液晶显示屏进行显示。

如图4所示，基于多超声波传感器的自主移动机器人目标定位方法的简化布局配置模型如下：

为了降低计算复杂性，本发明给出了一种简化的传感器布局配置，该配置中三个超声波传感器布置在同一直线上。设三个超声波传感器的坐标分别为S1(-a，0)、S2(0，0)和S3(b，0)，与式(8)，(9)类似，可以得到如下方程：

(1-k₁ ²)x²+2ax+a²+(1-k₁ ²)y²＝0 (26)

(1-k₂ ²)x²-2bx+b²+(1-k₂ ²)y²＝0 (27)

式(26)，(27)的解(x，y)即为所求目标坐标。

对实际求解进行详细讨论，根据k₁，k₂值的不同，可分为以下三种情况：

1)当k₁＝1，k₂≠1，式(26)，(27)可表示为：

目标坐标(x，y)为一条直线和圆的两个交点。两组坐标值可分别表示为：

2)当k₁≠1，k₂＝1时，式(26)，(27)可表示为：

目标坐标(x，y)为圆和一条直线的两个交点。两组坐标值可分别表示为：

3)当k₁≠1，k₂≠1时，式(26)，(27)可表示为：

目标坐标(x，y)为两圆的两个交点。两组坐标值可分别表示为：

上述的三种情况中均存在两组解，因此需要对两组解进行判别。当传感器在一条直线上布局时，其测量的y值一定为正值，因此y为负值的解将被舍弃。显然，式(29)、(32)和(35)分别为三种情况下的正确解。在简化的布局配置下，其计算量相对较少且避免了通用配置中需要对解进行额外判断的情况。因此在实际使用中，推荐使用此种传感器布局配置。

如图5所示，以通用布局配置下的某种情况为例，进行该方法及装置的可行性验证：

传感器的布局参数为a＝107.0mm，b＝83.Omm，c＝-78.0mm。待检测的目标为直径6mm的细杆状物体。以S2传感器为坐标原点，令目标杆在y轴方向从175mm移动至500mm。每个测量点用卷尺记录目标杆到三个传感器的距离作为标定值。实验的环境温度为25℃。实验结果如表1所示。

表1通用布局配置下的实验结果

其中l_r1，l_r2和l_r3为目标与传感器的实际距离；l_d1，l_d2和l_d3为使用传统的超声波传感器定位方法(默认空气中超声波传播速度为340m/s)测得的距离；l_c1、l_c2和l_c3为附加额外的温度传感器补偿后获得的测量距离；l_m1、l_m2和l_m3为使用本发明提出的定位方法获得的测量距离。测量的相对误差定义为：

其中l为目标与传感器之间的测量距离(分别为l_d、l_c或l_m)，l_r为目标点与传感器之间的标定值。

从表中数据可以看出，与传统的超声波定位方法相比，本发明提出的定位方法可以提高超声波传感器的测量精度，从而提高定位精度。与附加额外的温度传感器补偿的方法相比，本发明提出的新方法仅基于超声波传感器即可获得与其相当的测量精度。由此证明了该方法及装置的有效性。

Claims (6)

1.一种基于多超声波传感器的自主移动机器人目标定位方法，其特征在于利用两个超声波传感器渡越时间的比值，以超声波传感器模块中的任一超声波传感器测得的渡越时间作为分母，其余两超声波传感器测得的渡越时间分别作为分子获取渡越时间的比值，记为k₁，k₂；利用这两个比值进行计算，从而获得目标点位置。

2.一种基于自主移动机器人目标定位装置的目标定位方法，所述的自主移动机器人目标定位装置，包括超声波传感器模块(1)和超声波测量模块(2)；其中，超声波传感器模块(1)与超声波测量模块(2)相连接；

所述的超声波传感器模块(1)由三个收发一体的超声波传感器组成，其中，1号超声波传感器(3)、2号超声波传感器(4)和3号超声波传感器(5)均通过导线与超声波测量模块(2)相连接；

所述的超声波测量模块(2)包括三个超声波发射单元、三个超声波接收单元、声道选择与切换单元、数据采集与处理单元和液晶显示屏；其中，每个超声波发射单元与相对应的超声波传感器模块(1)中的超声波传感器相连；每个超声波接收单元与相对应的超声波传感器模块(1)中的超声波传感器相连；声道选择与切换单元与所有的超声波发射单元和超声波接收单元相连；声道选择与切换单元与数据采集与处理单元相连；数据采集与处理单元与液晶显示屏相连；其特征在于，所述的自主移动机器人目标定位方法具体步骤如下：

1)由声道选择与切换单元依次选择相应的超声波发射单元发射一定形式的电压激励信号至超声波传感器模块(1)中相对应的超声波传感器；

2)超声波传感器模块(1)中的超声波传感器通过其内部的压电晶片将电压激励信号转换成超声信号；超声信号向外传输并在遇到目标后返回，返回的信号由同一个超声波传感器捕捉并将超声信号转换成电压回波信号后传送至其对应的超声波接收单元；

3)超声波接收单元接收到电压回波信号后对其进行滤波放大并将数据传送至数据采集与处理单元；

4)数据采集与处理单元接收各个超声波接收单元传来的数据，进行数据采集和渡越时间计算，利用两个超声波传感器渡越时间的比值，以超声波传感器模块中的任一超声波传感器测得的渡越时间作为分母，其余两超声波传感器测得的渡越时间分别作为分子获取渡越时间的比值，记为k₁，k₂，利用这两个比值进行计算，得到目标的具体位置，并将结果输送至液晶显示屏进行显示。

3.根据权利要求2所述的基于自主移动机器人目标定位装置的目标定位方法，其特征在于步骤4)的具体过程为：

根据超声波测距的基本方法，目标与超声波传感器之间的距离可由(1)式获得；

式中，c_t为超声波在空气中的传播速度，Δt为超声波传播的渡越时间；

为实现自主移动机器人的目标定位，采用三个超声波传感器来实现，分别为S1、S2和S3；假设S1、S2和S3的坐标分别为(-a，0)、(0，0)和(b，c)；目标与S1、S2和S3的距离分别为l₁、l₂和l₃，对应的渡越时间分别为Δt₁、Δt₂和Δt₃；根据(1)式，可得：

采用渡越时间的比值来计算目标坐标(x，y)，选取三个渡越时间中的最大值作为分母，其余两超声波传感器测得的渡越时间分别作为分子获取渡越时间的比值，记为k₁，k₂，利用这两个比值进行求解可得到所求目标坐标(x，y)。

4.根据权利要求3所述的基于自主移动机器人目标定位装置的目标定位方法，其特征在于利用k₁，k₂求解所求目标坐标(x，y)的过程为：

设Δt₂是三个渡越时间中的最大值，令：

则，k₁，k₂可表示为：

式中，a为传感器S1、S2在x轴方向上的距离，b为传感器S2、S3在x轴方向上的距离，c为传感器S2、S3在y轴方向上的距离；进一步，式(4)、(5)可表示为：

对(6)，(7)式两边取平方，并化简后可得：

(1-k₁ ²)x²+2ax+a²+(1-k₁ ²)y²＝0 (8)

(1-k₂ ²)x²-2bx+b²+(1-k₂ ²)y²-2cy+c²＝0 (9)

式(8)和(9)的解(x，y)即为所求目标坐标。

5.根据权利要求4所述的基于自主移动机器人目标定位装置的目标定位方法，其特征在于根据k₁，k₂值的不同，求解过程分为以下四种情况：

1)当k₁＝1，k₂＝1，式(8)，(9)可表示为：

目标坐标(x，y)为两条直线的交点，坐标值可表示为：

2)当k₁＝1，k₂≠1时，式(8)，(9)可表示为：

目标坐标(x，y)为一条直线和圆的两个交点；两组坐标值可分别表示为：

3)当k₁≠1，k₂＝1时，式(8)，(9)可表示为：

目标坐标(x，y)为圆和一条直线的两个交点；两组坐标值可分别表示为：

其中

4)当k₁≠1，k₂≠1时，式(8)，(9)可表示为：

目标坐标(x，y)为两圆的两个交点，令

则两组坐标值可分别表示为：

6.根据权利要求5所述的基于自主移动机器人目标定位装置的目标定位方法，其特征在于在情况2)、3)和4)中有两组解，需要对两组解分别进行判别；

对于情况2)、3)和4)分别计算其阈值ε，ε的表达式分别如下所示：

对于情况2)：

对于情况3)：

对于情况4)：

式中r₁、r₂和D由式(20)获得；

当计算得到的阈值ε大于系统设定的门限值ε₀时，两组解中只有一组解的声速处于合理声速范围内，选择合理声速范围内的解，即可获得被测目标的确切位置；当计算得到的阈值ε小于系统设定的门限值ε₀时，令机器人在x轴或y轴移动一定距离后，再次计算阈值ε，重复移动与计算操作，直至计算得到的阈值ε大于系统设定的门限值ε₀，计算该位置对应的两组解，利用合理声速范围得到被测目标的确切位置。

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