在移动机器人上使用红外传感器进行距离测量

在移动机器人上使用红外传感器进行距离测量 摘要: 红外，IR,感器是基于反射周物体的振幅的器件,振红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红幅响是非性的,依于物体面的反射特性。因红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红 此,外感器在机器人上的主要用途是避障碍。红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红 然而,其固有的快速响是非常有吸引力,提高了移操作。红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红例如,用于地建任的机器人。因此,新的低成红红红红红红红红红红红红红红红红红红红 本外感器能准确减少响的量距离是得研红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红 究的。在本文中,提出一个新的外感器,它基于光的红红红红红红红红红红红红度强 背散射象,并能量距离高达红红红红红红红红红红红红1m描述。此外,感器模型描述红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红在距离估行了分析和建模。最后,得的果行了。 1.介绍 红红红外，IR,感器被广泛用作接近感器和避免障碍机器红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红人。他提供比超声，美国,感器更低的成本和更快的响红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红。然而,由于其非性行和周物体的反射的依, 量的基背散射外光的红红红红红红红红红红红红红红红红红红度的果是非常不精确的。强 出于个原因,境型的感器的地是量差,红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红 红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红外感器几乎完全作在移机器人的接近探器。 然而,在参考目中描述的一些外感器基于相移红红红红红红红红红红红红红红红红红红 量,提供距离中等分辨率，红红红红红红红红红红5厘米距离可达,,但些都是在一般红红红红红红红情况下,非常昂的。红红红 US红红红红红红红红红红红红红红红红红感器被广泛用于量距离。他提供低成本和高精度——红量距离可达1厘米至6米。然而,最流行的方法是在些量是基于行，红红红红红红红红红红红红TOF,的量。红红红红TOF之的是反射后的排放量和随后到来红红红红红红红红红红红红红红红红红红红US脉冲列的红红速度行声音，红红红红红340米/秒,。会致大的反，红红红红红红红红红红红35毫秒象放在红红红红红6米红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红,次量。此外,感器使用于有角灵敏度叶，35。通常情况下,的机器人,并提供可怜的角分辨率。 红红红红红红红红红红红红红红外感器采用反射光的度来估与物体的距离并不强常,据道,只有少数文献研究,但其固有红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红 的快速响用来提高移机器人的响是非常有吸红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红 引力。此外,高度定向感器比红红红红US红红红红感器提供更好的角分辨率。因此,新的低成本外感器能准确地量距离减少响,红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红 因此是得研究的。一些低成本外感器根据反射光的红红红红红红红红红红红红红红度强 已告、感器描述有的范决,并只适用短距离，红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红25厘米,,提供了一 个准确度红0.5厘米描述的感器,但它在短距离内，接,,并采用先已知红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红的被反射作位置参考。红红 红红红红红红红红红红红红红与一些外距离感器行了分析和 比,但没有是完全令人意的。事上,红红红红红红红红红红红红红红红红红红IR红红红红红红红感器在移机器人中的主要用是避免碰撞,而并非主要用于活范。红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红 在一个未知的境中,它是不可能表面的属性性红红红红红红红红红红红红红红红红 红红红红红红红红红红红红红红红红红红作出有效的假,并且表面的其他信息来源都需要 得相参数。更具体地,感器作量距离的出,红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红 知道一个定的表面如何散射,折射,吸收外能红红红红红红红红红红红红红红红红红红 量是必要的。因此,在一个未知的境中使用的外距,机红红红红红红红红红红红红器人操作必在表面性确定的基上。红红红红红红红红红红红红红 US红红红红红红红红红红红红红红红红红感器,可以用来作充来源信息,以确定表面性。US和外红红红感器之的合作并不是一个新概念。在一个典红红红红红红红红红红红红红红红红红红红 型的文件,航系合两个感器的信息以建立一红红红红红红红红红红红红红红红红红红红 个更精确的地描述。红红红红US红红红红红红红红红红红红红感器和外感器常使用的一个 互的方式,其中一个弥另一个的劣。估红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红 距离和描述从象的角度的病率,外感器很大程度上需要红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红US红感器的合作。 在本文中,一个新型的外感器做了描述。个红红红红红红红红红红红红红红红红红红 红红红红红红红红红红红红红红红红红红感器适合距离估和地建。使用一个模型作距离 的数和振幅响很容易,制定入射角只需要一个参红红红红红红红红红红红红红红红红 数:外反射系数靶面。一旦象已建模和定,其距离外感器在红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红2毫秒，典型的响,内可以得到的数。由于不确红红红红红红红红红红红红红红红红红红红 定性,距离感器可以从几厘米到红红红红红红红红红红1米的范量红红红0.1mm至10厘米的物体,一般是1.2厘米左右的物体放置在50厘米左右的地方。 本文的如下:第红红红红红红2部分描述了外感器的主要特点,在第红红红红红红红红红红红红红3部分的红化模型只有一个参数，反射系数αI,是用来描述作函数的距离和红红红红红红红角度感器的响病率,第红红红红红红红红红红红4部分介了期的在得距离红红红红红红红红红红红红红量使用外感器表达噪音的功能,距离和入射角,第红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红5部分介一个红红红红红红而准确的方法来估αI参数,作充使用红红红红红US的数据数信息来源。红红红红红红此外,在本中的影响红红红红红αI参数估距离研究。最后,在第红红红红红红红红红红红6部分,所取得的成果几个描述和。红红红红红红红红红红 2.绍绍绍绍绍绍绍外感器的描述 红红红红红红红红红红红红红红红外感器已展成一个被称作YAIR1红红红红红红红的移机器人的一部分。个机器人是一个红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红正在的研究在分布有 的几个系的红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红多感器的原型。伊有两个主要 型的感器地建和象的位置:红红红红红红红红红红红红红红US红红红红红红红红红红红旋放置在部的感器,16红红个外红红红红红红红红红红红红红红红红红感器八周周分布的机器人,如1红红所示。感器每每集中在一个八角形的,它之的距离红红红红红红红红红红15红红厘米。灵敏度叶，50红红红红,的幅度响,也代表了个数红红红红红红红红红红红红字。最大探范1米。US红红红红红红红红红感器可以量距离精度小于1厘米,并。与角度定位分率红1.8,响从红红红红15红红红红红红红红毫秒更改一个一量到2.5秒做一个完整的循红红红红描。 红1 红2 基于外感器的的红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红伊机器人用来直接量 外光的幅度,前面散落放置了一个表面感器。假从表面上红红红红红红红红红红红看红红红红红红红红红红完美的漫行,接收信号的幅度与距离是不是性,并遵循平方反比定律,其距离取决于象,角度病率和表面的反射。红红红红红红红红红红红红红红红 每个感器由两个外红红红红红红红红LED红射器和PIN光红红红红红红红红二极管高度定向用塑料日光红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红住房。外光二极管接在串阻和一个NMOS晶体管红红使用TTL兼容信红红红红红红红红红红红红号被激活。的外LED的流红红红100mA红激活的排放量在次被每激活只有一个红红红红红16红红红红红红红红红红红光二极管。等效一个感器,在2可以看出。 红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红外射器已被定,因它有一个狭窄的半角度，?10?,和高射度红红强，80 mW / sr的在100 mA,。接收器的光红红红红红红红红红红二极管是一个快速的 2,在900nm,,一个敏感叶红红红红红红红,并具有良好的光灵敏度，50μA/，mW/cm ?20?红红红红红红红红红红红红红红红红红红红合射接收器和量距离最多放置目1m。 如果一个象被放置在感器的红红红红红红红红红红红红红红红红红前面,反射光到 达光红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红二极管,以及相的光流生的跨越阻 放置在系列。出使用红红红红红红16个感器中的红红红红红红红红红红一个固,低阻,每精密模红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红多路用器。用的由一个精密放大器 被放大可红红红红红红红红红红红红红红红增益和失,使出范从0V，无红红红红象,到5V，白色目放红红在10厘米,。由于放大器红红红红路采用?12V直流供,出是性在红红红红红红红红红红红整个出范内,并没有红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红生和出信号。增使用一个10位的半红红红红红红红红与的A / D红红器。 3,红红红红红感器型号 红红红红红红红红红红红红红红红红红红感器的光度量平方反比定律出与下十分密 切的。因此,一个的等式可以用来模感器出红红红红红红红红红红红红红红红红S，X,θ,作距离红红红x和入射角θ与靶面的函数: sxθαx2,=COSΘ+Β, 红红里α和β模型参数。 α参数包括:外射器的射红红红红红红红红红红红度,强 光红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红二极管的光灵敏度,增益放大器,和反射 系数目。红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红前三个因素是不的,但最后因素是目的依。因此,参数α可以表示红红红红红红两个参数,α0红品αi, α0不断所红红红红红红红红红红有的量和表示在VM2, αi,一个无量的反射系数,可以红红红红红红红红红红红红改从0，黑色目,至红红红1，白色目,。此红红红红参数可表示红红: αα0αi=, 参数β等于放大器的失红红红红红红红红红红红红红红,加上境光的效果。它可以 通没有外射。在些红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红条件下,将参数β。一个新的红红后,外排放被红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红激活立即采取。减去以前的,得到没有偏移β信号。因此,所有光源的影响,甚至光红红红红“红红”红红清洗灯或白灯,可以被,方除。通命名 程红Y信号。可改写红红: yxθsxθ,=,-βαx2=COSΘ, 入射角的影响是仿照在使用上述公式因数cosθ,假近乎完美的红红红红红红朗伯漫行表面后,红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红伯特的余弦定律。假于 用在一些抛光表面上是无效的,但基于我红红红红红红红红红红红的,大多数的研究表面表出令人意的近定红红红红红红红红红红红红红红红红红红红律的角度范在[-45?,45?]。更完整如海防的模型,模型可以用来代替,但他需要更红红红红红红红红红红红红多的参数来定模 型以及更的程红红红红红红红红红红红红红红序,以取些参数。 4.在距离估的差来源红红红红红红 方程，4,，xαycosθ=,可以用来得一个距离的估从感器的数红红红红红红红红红红红红红红红红X，Y,,入射角θ,和目的反射系数红红红红红红αi。在距离估的不确定性任红红红红红红红何些会红红红红红红红红红红红红红红生不确定性。假,αi是一个可以有足红红红红红红红精度的估参 数，使用其他可用的感官数据,解红红红红红红红红红红红红红红红红红后,,的主要来源是噪声量的εy和在的病率上角度的不确定性红红红红红红红红红红红εθ。因此,差分量红红红红εxy是红红εy噪声引起的,εxθ作在的角度的差分量病率估,可以下列红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红公式写的: εxεxyεxθxyεyxθεθ=+=??+??, 并考到在方程，红红红红红红4,中θ红于y的偏红红红数,可以得到下列表达式来估距离红红红εx的不确定性: εxyx32αcosθεy=, εxθx2tanθεθ=, εxx32αcosθεy=--x2tanθεθ, 假红εy和εθ是零均红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红,服从高斯分布,并且和不相的噪音准偏差ΣYσθ,分准红红红红红红红红红红红红红红红红红红红偏差,不确定性可以表示: σxx32αcosθσy2x2tanθσθ2=+, 红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红生距离的估和它之的系的的重性在下面介几点思考: 4.1,红红数εy的不确定性 4.2,入射角的不确定性 4.3,在距离估的差红红红红红 5,景红红红红中的αi参数的象模型的估红红红红红红红 在上一,红红α0和αi的先知是假的。红红红红红红红红α0作一个常数,于红红红红红个每红感器可以用方程，23,，α0xmin2ymax=,来红红红红红红红红红红红算。唯一确定的参数是αi，相红红红红红红红红红红红红红红红红红外反射系数的表面,。以确定一个必有外的感官数据的价。如果US红红红红红红红红红红红红红红红红红感器可以使用,作一个伊情况,很容易得合理αi的好。方法红红红红很:一次新的象是本地化的,红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红正常的病率 达到机器人的旋红红红红红红红红红红红红红红红红红红方式，正常病率,两个外感器 得到的的数是相红红红红红红红红红红红红同的,。那,US的距离，红红X,估有红红红红红红红红红红足的精度。估αi可以使用下列公式: αiyx2α0=, 其中x是用US红红红红红红红红红感器量距离的价,y是从两个外感器数红红红红红红红的平均红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红。注意要取合理的精度,从外感器 采取足红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红的数以减少噪声影响是必要的。也是象最好被放置在20和50厘米的距离的原因。红红红红红 5.1,αi的不确定性的影响 最后,使用式，15,，x12x1x212x1'x2'cosθ=+=(+),,可以得到一个估红的平均距离x。由于方程的性参与在红红红红红红红红红红红红红演算中,得在距离 红红红红红红红红红红红红红红红红差的解析表达式作距离的函数估使用描述方法是 相当困红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红的。相反,它是更容易画出表示依于入射角的角度的形。如6,曲族示红红红红红红红红红红红出依于入射角θ的距离差和红红红红红红红红?α/αi的相差红红红已被制。红红红红6,x的平均距离红1m,和入射角θ角度的范在红红+40?和-40?之。红红正如所料,红红θ=0?的差与用方程，红红红红红红红红33,，εxαxxxxεααi11=‘-=+-,所红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红得的是相同的。当然,使用上面介的方法,6所示的入射角的角度在红得距离估的差的影响不大,而最红红红红红红红红红红红红红红红红红坏的情况是θ=0? 图6 作图图图究的图图～不定性研确αi图的影图大致可以模图方程;响33,～而忽略影响从确估的角度在此图差的图生率。此外～相同的方程～可以得到容忍不定性的图αi图在距离εxα的图差。图注意～图图差是图图图音与噪εy立和不相图的。因此独～使用图外图感器在距图量上的图差的图方差通图添加不同源的差本文中图得所离将来异描述的不定性。确 6,红红红红红红红红红和模型 红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红用正面的一外感器伊机器人行了研 究,其布局已如前所述。机器人程红红红红红红红红距遵循的直路径步的5.15厘米,范从红红13.4排列到116.8厘米向红红红红红康型DINA2大小的白卡红红红红红红红。所有感器是在之前整红红红红红红红的,以θ= 0?在10厘米从相红红红红红红红红红红同的白卡提供 一个完整的模，红红红5 V,。因此,感器参数红红红红红α0红红整后的是50.0 mV/m2,假红白卡αi= 1。从每100个数红红21分。个量分两个每红红红红红红红红红红段:一个 没有外射第一次数，红红红红红红红红红红β参数估,,红红红红红红红红红红红红红跟一个有外射的 红红 。A / D红红红红红的分辨率10位并且两个的数红红红红红红红红红红红红红所花的2毫秒。机器人在x定位的精度于红红0.5毫米。 红7是取自每个位置的100红红红红红红红红红红红红红红红个数的平均,都来自于一的一2个外感器,数红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红像已被制。一数字表明,他在α= 50 mV/m红与方程，3,，yxθsxθβαx2,=,-=COSΘ,得出的理曲十红红红红红红红红红红红红红红分符合。事上,在 些平均得分和理曲红红红红红红之的RMS红差只有2.3mV红红红红红,一个在个人噪声，6 MV红红,以下的。表红红红红红红红红红明,公式，3红红红红红红红红红红红红红红红红红红,有足的精度来用于模外的感器出。 图7 7,红红 在本文提出了一新的基于光红红红红红红红红红红红红红度背散射象的外感器,强并能量已高达红红红红红红1米的距离。此外,提出了一个化的表达感器红红红红红红红红响的距离和角度的功能病率的建模。从个红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红 表达式中,期的在距离估行了分析和建模。红红红红红红红红红红红红红红红红红红红 红模型使用只有一个参数:反射系数αi。方法使于大红红红红红红红红红多数表面的果相红红红红红红红红符合。使用US作一个互的信息源的数据,红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红个的方法来估αi参数也已提出。 此外,精确相的反射系数红红红红红红红红红红红αi的影响的不确定性行了分析,红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红了和表达粗糙在距离估生的估。 最后,果红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红良好的表明模型和数据之的得到了红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红。因此,新的感器可用于移机器人,以有 效内建立合红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红红理的准确地,出的快外感器的响。 此外,作一个外的红红红红红红红红红红红红红红红红红红红个量距离可每利用感器, 以得到其期的不确定性,从而使用的感器红红红红红红红红红红红红红红红红红红红融 合技红红红红红红红红红红红红能建立更精确的地。