本發(fā)明涉及移動機器人導(dǎo)航性能指標測評裝置及其測評方法，特別涉及一種可重構(gòu)室內(nèi)移動機器人導(dǎo)航性能測評儀及其測評方法，屬于測試與控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

機器人產(chǎn)業(yè)已成為世界各國高度關(guān)注的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，多個國家已提出機器人發(fā)展國家戰(zhàn)略，推動本國機器人和自主系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新。如何檢測和評價機器人的質(zhì)量,對提到機器人性能、和應(yīng)用具有重要意義。我國正在積極籌建國家機器人質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心。自主導(dǎo)航技術(shù)是實現(xiàn)機器人在未知環(huán)境中自主運動能力的一項最為關(guān)鍵的技術(shù)，自主導(dǎo)航技術(shù)能力的檢測和評價是推進自主系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的核心內(nèi)容。

目前，世界范圍內(nèi)系統(tǒng)性的自主移動平臺性能測試與評價研究工作，僅體現(xiàn)在美國國家標準研究院應(yīng)急響應(yīng)機器人測試、以及無人車大賽車輛性能評測2個方面。美國國家標準研究院2005年開展了一項應(yīng)急響應(yīng)機器人標準測試方法的研究項目，其目標是開發(fā)機器人性能測試標準。涉及導(dǎo)航性能測試項目主要隨機迷宮、復(fù)雜地形的迷宮走廊地圖構(gòu)建、稀疏特征迷宮地圖構(gòu)建等任務(wù)。評價機器人導(dǎo)航性能的核心是跟蹤路徑、識別標志并進行不同響應(yīng)，目標遍歷程度和完成任務(wù)時間是性能評價的主要指標。世界范圍內(nèi)舉辦的歷屆無人車挑戰(zhàn)賽直接將安全、快速地到達目的地作為考核指標，通過比賽規(guī)則裁判組進行評分來評價安全性、平穩(wěn)性、智能性，以及速度指標。

文獻資料調(diào)研結(jié)果表明：如何定量的、客觀的評價導(dǎo)航技術(shù)的性能尚未有統(tǒng)一的標準，且缺少相關(guān)的專用測量設(shè)備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決室內(nèi)大范圍測試環(huán)境下，移動機器人導(dǎo)航性能指標體系和性能指標測評問題，本發(fā)明提供了一種具有可重構(gòu)能力的移動機器人導(dǎo)航性能評測儀。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種可重構(gòu)室內(nèi)移動機器人 導(dǎo)航性能測評儀，包括定位傳感器、攝影測量系統(tǒng)、計算機、移動機器人以及設(shè)置于移動機器人上的測量標靶；所述定位傳感器和攝影測量系統(tǒng)均與計算機連接；所述定位傳感器設(shè)置于測試區(qū)域的上面或側(cè)面。

所述定位傳感器為多個；多個定位傳感器為縱向和/或橫向排列。

所述定位傳感器的探測區(qū)域與相鄰的定位傳感器的探測區(qū)域有重疊。

所述測量標靶為兩個，通過測量桁架固定于移動機器人上。

所述測量桁架包括支架和伸縮桿；伸縮桿通過支架水平固定于移動機器人上；伸縮桿兩端分別固定有測量標靶。

所述測量標靶包括半球體以及均勻設(shè)置于其表面的多個反射靶。

一種可重構(gòu)室內(nèi)移動機器人導(dǎo)航性能測評方法，包括以下步驟：

1)通過定位傳感器和攝影測量系統(tǒng)對測量標靶進行標定，得到測量標靶的中心位置以及兩個測量標靶的中心距；

2)根據(jù)相鄰兩個定位傳感器探測重疊區(qū)域內(nèi)的標定靶得到任意相鄰兩個定位傳感器之間的矢量位置關(guān)系；

3)移動機器人在多個定位傳感器探測區(qū)域內(nèi)移動；當移動機器人進入某個定位傳感器的探測區(qū)域時，該定位傳感器探測移動機器人上的測量標靶表面反射靶的位置并反饋至計算機，計算機根據(jù)若干反射靶位置得到測量標靶的中心位置以及兩個測量標靶的中心距；然后根據(jù)各定位傳感器之間的矢量位置關(guān)系實時得到移動機器人的位置和航向；

4)將得到的位置、航向通過層次分析法、數(shù)理統(tǒng)計和回歸分析得到設(shè)定指標的評分,實現(xiàn)移動機器人導(dǎo)航性能的測評。

所述通過定位傳感器和攝影測量系統(tǒng)對測量標靶進行標定包括以下步驟：

通過攝影測量系統(tǒng)圍繞每個測量標靶拍攝得到多幅測量標靶的圖像，計算機根據(jù)圖像得到每個測量標靶表面各反射靶位置以及各反射靶相對于該測量標靶中心的位置D_m,k(m＝1,2；k＝1,2,…,12),其中，下標m表示桁架兩端的測量標靶，k表示測量靶標m中的第k個反射靶；

根據(jù)兩個測量標靶的中心位置得到兩個測量標靶的中心距D_d。

所述根據(jù)每相鄰的兩個定位傳感器探測的重疊區(qū)域得到各定位傳感器之間的矢量位置關(guān)系包括以下步驟：

在每個相鄰兩個定位傳感器(a,b)的探測重疊區(qū)域內(nèi)任選一點固定標定靶，這兩個定位傳感器之間的矢量位置關(guān)系如下：

R_a,b＝Q_a,j-Q_b,j

其中，(a,b)表征具有重疊區(qū)域的定位傳感器對；R_a,b表示定位傳感器b相對于定位傳感器a的位置矢量；矢量Q_a,,j、Q_b,j分別表示標定靶j在定位傳感器a、定位傳感器b坐標系下的位置。

所述根據(jù)各定位傳感器之間的矢量位置關(guān)系實時得到移動機器人(4)的位置和航向包括以下步驟：

首先當移動機器人進入定位傳感器i的測量區(qū)域內(nèi)，根據(jù)定位傳感器i采集到的反射靶k的位置L_m,k(m＝1,2)和各反射靶相對于該測量標靶中心的位置D_m,k，保證誤差最小的條件下，采用最小二乘法得到該測量標靶相對于定位傳感器i的位置矢量P_m,i；K為定位傳感器i能夠采集到的反射靶的數(shù)目；

然后根據(jù)測量標靶m在定位傳感器i中的位置P_m,i和所經(jīng)歷的n個定位傳感器的相對位置R_a,b，計算測量標靶m的絕對位置：S_m,t＝ΣR_a,b+P_m,i，i≥2；n為重疊區(qū)域的個數(shù)；

矢量S_m,t表示任意測量時刻t測量標靶m相對于定位傳感器1的絕對位置；矢量P_m,i表示測量靶標m相對于定位傳感器i的位置；R_a,b表示定位傳感器b相對于定位傳感器a的位置矢量；

最后，根據(jù)任意測量時刻t兩個測量標靶的位置S_1,t和S_2,t,直接得到移動機器人的位置矢量S_1,t或S_2,t，以及表征機器人航向角的矢量S_1,t–S_2,t。

本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點：

1、本發(fā)明中多臺式定位傳感器可進行重新組合適應(yīng)不同面積大小的測試環(huán)境。

2、本發(fā)明采用的測量桁架可伸縮，標定簡單，適用于體積大、中、小型號的室內(nèi)移動機器人導(dǎo)航性能測試。

3、本發(fā)明具有測量精度高、動態(tài)特性好等優(yōu)點，水平定位精度±1厘米、航向精度±0.6度。

4、本發(fā)明涉及一種可重構(gòu)室內(nèi)移動機器人導(dǎo)航性能評測儀器和導(dǎo)航性能指標體系，實現(xiàn)移動機器人導(dǎo)航性能的測量和綜合評估，提供科學(xué)的依據(jù)，使學(xué)者能夠發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航算法或系統(tǒng)存在的問題，促進機器人和自主系統(tǒng)的創(chuàng)新。也為移動機器人的生產(chǎn)者、銷售者和購置者提供更為統(tǒng)一、直觀、準確的評價標準。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成圖。

圖2為多臺定位傳感器可重構(gòu)示意圖。

圖3為不規(guī)則測試環(huán)境下的多臺定位傳感器可重構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明的測量桁架結(jié)構(gòu)示縮短狀態(tài)示意圖。

圖5本發(fā)明的測量桁架結(jié)構(gòu)伸長狀態(tài)示意圖。

圖6為任意相鄰兩臺定位傳感器的被測機器人位置確定示意圖。

其中，1、定位傳感器，2、攝影測量系統(tǒng)，3、計算機，4、移動機器人，5、測量標靶，6、測量桁架，7、支架，8、伸縮桿，9、反射靶，10、標靶安裝座，11、直線軸承。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

圖1為可重構(gòu)室內(nèi)移動機器人導(dǎo)航性能測評儀組成圖，包括多個定位傳感器、測量桁架、攝影測量系統(tǒng)以及計算機。定位傳感器、攝影測量系統(tǒng)采用專用電纜與計算機連接。圖1組成圖僅給出了2臺定位傳感器布置圖。

定位傳感器為跟蹤反射靶標識裝置，精確測量反射靶的位置；采用雙攝像 頭傳感器(Handyprobe780,Creaform Inc.Canada)。雙攝像頭傳感器設(shè)于測試區(qū)域的上方或側(cè)面，可進行任意的串行、并行排列組合適應(yīng)任意范圍的測試環(huán)境，任意相鄰的兩臺定位傳感器之間存在測量重疊區(qū)域。相鄰定位傳感器間被測機器人的位置通過放置在重疊區(qū)域的標定靶位置來確定的。

圖2為多臺定位傳感器可重構(gòu)示意圖，雙像頭傳感器可進行串行、并行排列，測量范圍的長度和寬度分別為N(4-L)+L，M(4-L)+L(單位為米)，其中單臺定位傳感器測量范圍為4米×4米；沿長度方向排列N個傳感器；沿寬度方向排列M個傳感器；L為兩個定位傳感器重合區(qū)域的寬度。

圖3為不規(guī)則測試環(huán)境下，多臺定位傳感器可重構(gòu)示意圖，本專利所述的導(dǎo)航性能測評儀可重構(gòu)特性體現(xiàn)在：可根據(jù)測試環(huán)境的覆蓋區(qū)域進行定位傳感器任意的布置，布置時必須保證任意相鄰的兩臺定位傳感器之間存在測量重疊區(qū)域。

圖4為可伸縮式測量桁架圖，作為定位傳感器實時跟蹤的測量靶。測量桁架安裝于被測機器人本體上，可依據(jù)被測移動機器人的體積大小，調(diào)整兩端測量標靶的距離。

如圖4-5所示，伸縮式測量桁架兩端安裝有測量標靶，作為測量被測機器人航跡和航向跟蹤目標靶；測量桁架安裝在被測機器人本體上，伸縮式結(jié)構(gòu)設(shè)計改變桁架的尺寸可滿足不同體積大小的移動機器人的測試需求；測量桁架包括支架和長度方向可伸縮的靶標，兩端安裝有測量標靶，測量標靶上均布有12個反射靶作為目標跟蹤標識。

測量桁架由四根伸縮桿、兩側(cè)的標靶安裝座、以及中間的方盒、支架組成。桁架左/右的兩根伸縮桿的一端與標靶安裝座相連，另一端通過直線軸承與中間的方盒相連并能夠在直線軸承中左右移動。中間方盒的左右兩側(cè)對稱安裝四個直線軸承對應(yīng)四根伸縮桿，方盒的底面有四個螺紋孔用來安裝固定頂絲，實現(xiàn)導(dǎo)向桿的位置鎖定。當需要調(diào)整桁架兩端標靶安裝座的距離時，擰松固定頂絲 并將安裝座向內(nèi)/外拉出，到達指定位置后，將固定頂絲擰緊固定伸縮桿。

攝影測量系統(tǒng)采用手持式攝影測量系統(tǒng)(MAXShot,Creaform Inc.Canada)即攝影機，用于標定測量靶標的中心位置以及兩個靶標間的中心距離。

雙攝像頭傳感器實時跟蹤測量標靶，獲取測量標靶的位置。計算機實時采集測量標靶的位置信息，并推算被測機器人的航跡和航向，采用基于航跡的方法定量評估機器人導(dǎo)航性能指標，并生成導(dǎo)航性能評估報告。

圖6為任意相鄰定位傳感器被測機器人位置確定圖，通過在測量重疊區(qū)域內(nèi)放置標定靶確定相鄰兩定位傳感器的絕對位置。其中，標定靶為高精度位置標定的基準靶。

計算機實現(xiàn)多個定位傳感器、攝影測量系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)反射靶位置的同步測量與存儲、解算被測機器人的運動航跡和航向，并采用常用的層次分析法、數(shù)理統(tǒng)計和回歸分析得到設(shè)定項指標的評分；根據(jù)各指標的得分設(shè)定等級，用于對機器人導(dǎo)航性能的測評。被測移動機器人的導(dǎo)航性能指標具體包括距離障礙物平均距離、距離障礙物最小距離、距障礙物最小距離平均值、平均速度、速度分布、路徑平滑度、路徑長度、曲率半徑、完成任務(wù)時間、停機次數(shù)和時間、任務(wù)覆蓋度以及有效運動時間等。

相鄰定位傳感器間機器人的絕對位置通過放置在重疊區(qū)域的標定靶位置來確定的，如圖6所示。矢量S_m,t表示任意測量時刻t測量標靶m相對于定位傳感器1的絕對位置；矢量P_m,i表示測量標靶m相對于定位傳感器i的位置；矢量Q_a,j、Q_b,j分別表示標定靶j在相鄰兩定位傳感器a、定位傳感器b坐標系下的位置；R_a,b表示定位傳感器a相對于定位傳感器b的位置矢量。因此，根據(jù)標定靶的位置直接得到

R_a,b＝Q_a,j-Q_b,j (公式1)

當移動機器人經(jīng)歷第i個定位傳感器時，測量標靶m的位置矢量為

S_m,t＝ΣR_a,b+P_m,i (公式2)

可重構(gòu)室內(nèi)移動機器人導(dǎo)航性能評測儀的測試流程：

1.依據(jù)測試環(huán)境，對定位傳感器進行配置，確保測量范圍覆蓋測試環(huán)境；

2.將標定靶置于相鄰定位傳感器重疊區(qū)域，保證相鄰兩個定位傳感器能夠拍攝到標定靶，并依據(jù)公式1確定相鄰定位傳感器的相對位置關(guān)系：

在每個相鄰兩個定位傳感器(a,b)的探測重疊區(qū)域內(nèi)任選一點固定標定靶，這兩個定位傳感器之間的矢量位置關(guān)系如下：

R_a,b＝Q_a,j-Q_b,j

其中，(a,b)表征具有重疊區(qū)域的定位傳感器對；R_a,b表示定位傳感器b相對于定位傳感器a的位置矢量；矢量Q_a,,j、Q_b,j分別表示標定靶j在定位傳感器a、定位傳感器b坐標系下的位置。

3.被測機器人駛?cè)霚y試環(huán)境中，手持攝影測量系統(tǒng)對測量桁架拍攝多組會聚照片，獲得測量標靶中心與各個反射靶的相對位置關(guān)系D_m,k、以及桁架上測量標靶中心間的距離D_d。

4.被測機器人按照預(yù)定的任務(wù)進行規(guī)劃運動，通過測試環(huán)境，可重構(gòu)室內(nèi)移動機器人導(dǎo)航性能評測儀將根據(jù)公式2確定測量標靶的位置S_m,t。當移動機器人經(jīng)過定位傳感器i、i+1重疊區(qū)域時,采用測量標靶在定位傳感器i、i+1中位置的均值作為測量標靶的位置S_m,t。具體步驟如下：

首先當移動機器人進入定位傳感器i的測量區(qū)域內(nèi)，根據(jù)定位傳感器i采集到的反射靶k的位置L_m,k(m＝1,2)和各反射靶相對于該測量標靶中心的位置D_m,k，保證誤差最小的條件下，采用最小二乘法得到該測量標靶相對于定位傳感器i的位置矢量P_m,i；K為定位傳感器i能夠采集到的反射靶的數(shù)目，工作過程中，K≥3；

然后根據(jù)測量標靶m在定位傳感器i中的位置P_m,i和所經(jīng)歷的n個定位傳感器的相對位置R_a,b，計算測量標靶m的絕對位置：S_m,t＝ΣR_a,b+P_m,i，i≥2；n為重疊區(qū)域的個數(shù)；

矢量S_m,t表示任意測量時刻t測量標靶m相對于定位傳感器1的絕對位置； 矢量P_m,i表示測量靶標m相對于定位傳感器i的位置；R_a,b表示定位傳感器b相對于定位傳感器a的位置矢量。

5.計算機實時記錄測量靶標的位置信息，根據(jù)任意測量時刻t測量標靶的位置S_m,t,直接得到移動機器人的位置矢量S_1,t和S_2,t，以及表征機器人航向角的矢量S_1,t–S_2,t，其中位置矢量S_1,t或S_2,t的集合作為航跡。結(jié)合測試環(huán)境要素特征，采用層次分析法、數(shù)理統(tǒng)計及回歸分析方法實現(xiàn)導(dǎo)航性能指標的評估，最終生成測試報告。