崔茂源董再励田彦涛洪伟
（1.吉林大学信息科学与工程学院中国科学院机器人学开放研究实验室，吉林长春130025；2.中国科学院沈阳自动化研究所中国科学院机器人学开放研究实验室，辽宁沈阳1100/5）
摘要介绍了一种新型的移动机器人激光全局定位系统.重点讨论了结构化环境中移动机器人的全局定位方法提出了一种新的基于最小二乘法的选代搜索定位算法.全方位移动机器人平台上进行的定位实验，证实了该算 法的有效性.
主题词机器人：定位系统：最小二乘方法：选代
中图分类号TP242文献标识码A
Study on Laser Global Location System for Mobile Robot
CUI Mao-yuan? DONG Zai-1i² TLAN Yan-tao’ HONG Wei
( 1. fs L Chnee Araey f Scs Sof f bfi Se &: Enining Elis Cirsiy Jfin Ggrln 30025 2. Ralatics Ialomry Oinee Aslsy f Sicxces Sheryng hrine f Aswtion Iinsing Slemgsg 1J005 )
al location problem of mbile rbt in stcturd eviroent are mainly discusd. A new iteatise search location algri using leat Ahstract his paper inrodcs a new laser location sstem of mbile robt. Based om the location sstem the appraches to glb-squtes procedure is peugosnd. The location ospesimbs caried out in onidirectioeal mobile robot platfom demonstate the effectivenes of algoeithm.
Keywords : Robot ; Pasitioeing system / Lead squures method ; Ieration
现定位后者则利用余弦定理和线性最小二乘法实现定位. 标定位法.前者利用3个路标的约束条件和三角测量原理实由于路标位置和角度测量都不可避免地存在误差因此路标全局定位方法严格讲是不精确定位”.各种方法只能是在某种特定条件下使得定位误差最小
1引言
具有全局定位能力是移动机器人进行自主导航必备的一项基本功能.移动机器人的全局定位是指确定其在工作环境（一般指二维环境）中的全局坐标（x，3）和姿态（前进方向 与：轴正向夹角0）快速、准确地实现全局定位对于提高移动机器人自主性和灵活性有着特别重要的意义.
2激光全局定位系统的硬件结构
由旋转镜面机构、电机、减速器、转角编码器、激光发生器、光 激光全局定位系统机构原理如图1所示.整个定位系统电接收控制板及数据采集与传输等部分组成.图2为激光全局定位系统的结构框图.
在结构化环境中机器人全局定位一般是通过路标的识别和相应的定位算法来实现的.路标通常定义为环境中具有 一定特征使于识别的已知位置的物体或标志，包括自然环境标志和人工路标.这些路标可以被机器人上装载的特定的传机器人与检测到的路标位置关系就可确定机器人在环境中 的绝对位姿.其中基于合作路标的移动机器人激光全局定位系统以其工作的简使性、定位的准确性和使用的可靠性而日益受到人们的青昧显示出极大的发展潜力.
到合作路标时反射光经光电接收器件处理作为检测信号启 定位系统启动后激光经旋转镜面机构向外发射当扫描动数据采集程序读取旋转机构的码盘数掘目标的测量角度知参考路标的位置和检测信息就可以计算出机器人当前在 值）然后通过事行通讯传递到上位机进行数据处理根据已参考坐标系下的位置和方向.
serf的 3 个路标定位法、Margi Betke 和 1enid Gavit 的多路 对于定位算法的研究，比较有代表性的有ClasB.Mad
收稿日期2000-11-13修订日期2001-03-27基金项两病数据“高技术计划智能机器人项目资助课题863-512-9820-06）作者简介准茂激1975-）男博士研究生主要研究方向为移动机腾人智能导航.
图1光全局定位系统原理图
同理
忽略高阶无穷小项（ax，by，，）由（3式（4式和（1）试可 得
脂 2 ：散光全局定位系统结构框图
其中
3 全局定位算法
如图3所示机器人检测识别到m（m>3）个路 标p（x）并且方位角为采用下面的算法确定机器人在（世界坐标系）中的位资x）
图3移动机器人全局定位原理图
定位算法：
设相邻两路标夹角为1gigm令x1=x1=y1=2r则有
于是可列出m个方程写成矩阵形式
（1)
令
x得 式中A，B--可测常数阵.因此，可用最小二乘法求解
x = x-1 y= 3-1其中（x-1-1） -机器人在前一定位周期的位置.则arctana及arctan在）处的泰勒展开式为
从而
令
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
（7)
(s）
266MHx工控PC机由井行口与移动机器人控制PC机通讯.路标采用后向反射器反射率为1反射角为60（即当激光束 与反射器表面呈30P角入射时仍能保证激光束沿原路反射回来）5个路标相对均匀地分布于10m×10m房间四周.激光发生器产生30kH调制激光每隔100m（定位周期）检测各路 标的方位角.
(9)
由于AB均与（x）有关故可9）式代入（7）式再求 解从而产生选代当（x，y，l<时就可停止选代，所得（8）式即为机器人的位置（xd） 机器人的姿态8.，则可由图3中路标与机器人角度约束关系确定为 表1给出的是机器人静止不动时激光定位系统的测量定位结果.机器人在W坐标系中的姿态X（20F3F5°）表中”表示该路标被遮挡，从表中可以看出系统具有较高 的测量定位精度，对同一路标的方位测量误差不超过±0.1°在运用上述全局定位算法后，位置定位误差在±5mm内方位定位误差不超过±0.1°. (10) 其中7-W坐标系中第：个路标与机器人位置之4-x ）同x轴正向所成的夹角. 4实验结果 为实现移动机器人全局定位我们通过并行口将激光全局定位系统与移动机器人平台控制计算机相连.给定机器人的初始位姿参数（xJ8.）和工作域中参考路标的提取出一组有效的路标信息.通过上述定位算法就可得到 位置定位系统根据已知路标的位置地图和实测路标的视角，机器人当前的精确位姿从而引导机器人运动. 系统导引1下以500mm/s的速度从（00）点开始沿轴正向 图4和图5分别给出了移动机器人在里程计和激光定位以2000mmx2000mm正方形运动的定位实验结果.可以看出里程计由于累积误差的影响使得机器人未能准确地按规 划轨迹行走而激光定位传感器采用上述定位算法较好地引导机器人完成了导航任务. 我们进行了一系列实验研究.实验中系统上位机采用 表1静态下的机器人全局定位实验2035°） 实验 路标1 路标2 路标3 路标4 路标5 定位结果 定位误差次数 95.34* (xxθ) (y △)量 2 1 40. H0F 40.03" 95.39" 195.37* 256.62" 256.58" SL'60E OL'60E 90 1 -1 3.5 1.3 0.02 2.7 1.2 p.06°结 3 40.08° 95.29 195.29° 08°600 -96° 9 91 3.7° 3.3° 0.0f°果 4 40.05° ... 195.38° .. 309.699 23.2 32.4° 5.07° 3.2° 2.4° 0.07 5 结束语 本文介绍了我们自行研制开发的一套移动机器人激光全局定位系统提出了一种新的移动机器人多路标定位算法通过选代提高了系统的定位精度和抗干扰能力.算法运行时 间满足实时性要求在全方位移动机器人平台上进行的定位实验证实了该算法的有效性. 图4里程计导引下的移 图5游光导引下的移动动机器人运动轨迹 机器人运动轨迹 参考文献： [ 1 ] Hao Yingming Dong Zali Mmg Kai . An Ommidietioal Location Sstem for Anmotm Mshle RabeE C ] 30th ISR Jaqen 19. [2]董再，王光辉，田彦涛，等.自主移动机瞻人激光全局定位系统研究11机瞪人，2000，2X3）：207-210.[3 ] Maen Clas B Andersen Clas S. Opimal Landrk Seletion fr Tiarilation of Rabt Psitioxf J] Rbties and Autos Sstems 198 23 277 [ 4 ] Margrit Bake Ismid Garits. Mrbile Rae Lxalizati Uirg Lrb[ J ]. IEEE Ta. n Rbtis md Atmati 1997 L3 2 ) 251 ~ 263. 292.[5 ]Suherlnd K T Thsen W B. Inea NnigtiorE J ] Pe. IEEE In. Gxf. Rat and Autmatin 199s. 1 1 ~ 7.[6 ] Chang H D. A_Ae 3D Lxlistie of a Gama Uing a Gaide Maif[ J ] Pates Recridi Ieters 195 16 749 757. 万方数据 移动机器人激光全局定位系统的算法研究 作者： 作者单位： 崔茂源，董再，田彦齿，洪伟 崔茂源，田彦铸，洪伟（吉林大学信息科学与工程学院.），董再动（中国科学院沈阳自动化研究刊名： 所.) 系线工程与电子技术STICE|PO]英文刊名： SYSTEMS ENGINEERING AND ELECTRONICS年，卷（期）： 被引用次数： 2001 23(11) 21次 参考文献（6条） 1. Haofingning: Dong Zaili Meng Kai An Oenidirect ioeal Locaticn Systen for Autoeonous Mobile Bobot 19992.董再，王光辉，田彦请，朱枫，洪伟自主移动机器人激光全局定位系统研究[期刊论文]-机器人2000（3)3. Madsen Claus B;Andersen Claus S Optinal Landnark Selecticn for Triangulation of Bobot Positice 19985. Sutherland K T: Thoupson W B Inesact Navigatioe 1993 4. Margrit Betke;Leonid Gurvits Mobile Bobot Localizatice Using Landnarks 1997 (02)6. ClANC H D An Accuate 3D Localization of a Canera Using a Guide Mark 1995 本文读者也读过（4条） 1. 董再励 王光称 田度涛 宋枫洪伟. DONG Zai-1i.WANG Gaing-hui. TIAN Yan-tao. ZHU Feng BONG Vei 白主移动2.桥零玲，重再励孙茂相.刘艳梅微光扫描全局定位传感器的研究[期刊论文]-计算机科学2002 29（z2） 机器人激光全周定位系统研究[期刊论文]-机器人2000 22（3）3.曾间.蒋例LZENGMinJIANGGang基于ARI9的移动机器人激光陀螺定位系统[期刊论文]-中国西部科技2011 10 (4) 4.苑达峰陈自军一种基于MonteCarlo方法的四足机器人定位系统[会议论文]-2007 证文献（21条） 1.需斌刘波峰，刘道正，胡住林，张诗芳，张建题基于路标的AGY定位优化研究[期刊论文]-传感器与微系统2013（06）2.李销行进视觉中环境对象位置估计[学位论文]硕士20113.周世实液下机器人超声被定位系统的性能分析[学位论文]硕士20074.崔杨智能移动机器人同步定位与地图构建算法研究[期刊论文]-电子世界2013（23)5.榴海率基于全景视觉的移动机器人定位研究[学位论文]硕士20086.宋英博，张桂香自动导引车定位方法研究[期刊论文]-计算机仿真2015（01）7.直明，亲略青，郭锐，王明瑞，孙勇变电站智能运检机器人激光导航系统研究[期刊论文]-自动化与仅表2012（05）8.陈文峰自主移动机器人磁化路经探测及导航技术的研究[学位论文]硕士2005 9.李凌组置能制草机器人路径识别、跟踪与障码探测技术的研究[学位论文]硕士200610.落林，刘晓磊，赵慧，晏晚壮，叶维林，蔡不基于遗传改进人工势场法的全区域平粮机器人路径规划[期刊论文]一中国农机化学报2015（5）11.吴晓晓基于信息础合的室外移动机器人定位理论及技术研究[学位论文]硕士200612.崔俊杰AGT徽光定位传感器系统研究与开发[学位论文]硕士200613.齐东流基于智能控制的AGY路经规划研究[学位论文]硕士200614.程娅墓基于扩展卡尔曼滤波的同时定位与地图构建算法研究[学位论文]硕士2007 15.陈率基于静态摄像机的室内移动机器人全局定位研究[学位论文]硕士200416.王磊全区域履盖移动机器人同时定位与地图创建（SLAMI）技术的研究[学位论文]硕士200517.张娜全区域限盖自主移动机器人数字化环境的建立与定位系统的研究[学位论文]顾士200618.汤晓基于徽光测距仪的移动机器人同时定位和地图创建[学位论文]硕士200719.张月基于元测距位的移动机器人的三谁立体题障[学位论文]硕士201120.穆海不基于全景视觉的移动机器人定位研究[学位论文]硕士200821.沈强轮式移动机器人守航控制与路经规划研究[学位论文]博士2006 引用本文格式：祖茂源，董再励，田床涛，洪伟移动机器人激光全局定位系统的算法研究[期刊论文]-系统工程与电子技术2001(11)
