一个创新的室内机器人导航方法基于信标和PSD的研究

摘要。在本文中，创新的室内导航方法已被提出，以满足机器人导航系统的挑战。机器人导航定位方法一般包括基于视觉的方法，WiFi信号，红外信标，超声波信标，等等。然而，这些方法的共同问题是不准确的。特别是提高机器人定位机制的精度，是室内导航系统的关键。本文提出了一种方法，结合外部旋转信标位置敏感器件（PSD）的内部旋转，安装在机器人。而从外部信标源两红外光束一样投射到PSD的两侧，机器人的位置可以精确计算。通过优化旋转对准时间，划分工作区域，与信息融合补偿误差，可以实现高性能、高精度的结果。与其他通用方法相比，这一建议创新的方法需要较少的计算资源，是更容易实现，由于其低复杂度的计算算法。

1引言

在各种情况下，服务机器人被广泛使用。路径规划和选择对软件性能有很大的影响，对机器人的可用性有很大的影响。为了实现服务机器人的功能需求，研究了多种导航技术。室内导航方法可分为基于地图的导航和地图导航方法。他们的核心技术是基于位置识别。许多现有的研究工作是基于人工地标，如条纹和颜色的对象，但这些方法的缺点是，它们严重依赖于特定的任务，这是不切实际的，在许多场合。

在本质上，位置感知是必不可少的一个机器人在一个房间中自主导航。从内部状态、外部信号或两者都可以收集到感知信息。内部感知的信息可以从陀螺仪、加速器、里程表，等[ 1 ]。陀螺仪可以用来推断出航向，但缺点是错误的积累，最终会误导机器人。随机漂移，温度变化，模拟电路噪声，不同种类的误差将使精确的难以达到[ 2 ]。针对MPU6050，结果是连机器人处于静止状态，陀螺仪的性能最好的移动5度，每十分钟有一±2000dps满量程范围。此外，当机器人在移动的移动的程度会更严重的后果是，陀螺仪应定期纠正。为了解决这个问题，数字罗盘被选中，虽然这不会积累的错误，由于地球磁场，但它是容易受到磁场干扰，如铁，精神家具[ 3 ]。由于机器人具有多个电机和其他执行元件，其磁性能很强的推断到地球的磁性，将完全干扰数字罗盘的结果。

另一方面，里程表可以用来计算移动距离[ 4 ]。室内导航的一些研究假设，机器人车轮不会滑动，没有错误的存在。不幸的是，这些先决条件只存在于虚拟世界中。在现实中，里程表累积误差的快速[ 5 ]。在大多数情况下，误差来源于车轮半径、齿轮间隙等因素，同时也有一个主要的影响因素。

由于外部导航信号，通过提供周期性累积误差校正，可以解决上述问题的局限性。外部导航设备可通过声纳、激光测距仪、航标、虚拟墙、视觉分析、RFID等的测量精度和算法性能的根本和核心问题。根据许多研究结果，如果外部导航设施的数量增加，精度也将提高。然而，如果机器人的目标市场是家庭应用，生产成本和易于安装的负面影响将是一个不可避免的问题。

为了克服以上以及减少环境的干扰问题，我们调制红外光源和光束直接PSD。过热对PSD光斑会损坏设备，红外光的功率应适当控制。图2。是我们提出的室内定位系统的基本结构，它由红外发送器和接收器在发送端，安装了周边的两个激光二极管，其角θ，发射机发出集中（通过镜头）红外光束，该光束到达B直接的光聚焦在PSD传感器

局部放大视图发送了图的右侧。两个激光二极管安装在一个圈子，他们的角度是θ，他们发出两束激光，交替闪烁，它垂直于圆的切线。一维PSD安装在接收端B，当光束投射到PSD的表面，我们可以计算出两光斑的距离。假设两光束的中心之间的虚拟线，如果虚拟线预计在PSD的中心，然后将它垂直的PSD这两束斑的谎言同样的距离d的PSD的中心表面，然后我们可以很容易地计算出距离L = D /罪（θ/ 2）。的θ应仔细选择，以满足PSD尺寸以及最大和最小检测长

图2。红外线光束的灯塔和机器人

基于PSD的激光距离和方位角检测。我们选定的PSD器件的尺寸和分辨率1x15mm 0.1um，响应时间0.8us。PSD输出跟踪运动的质心的功率密度的一个非常高的分辨率和超线性。所使用的光学元件与传感器会增加失真，这可以实现到查找表，从而最小化。为了避免杂散光的干扰，使用调制的光。由齿轮步进电机旋转的光服，步进电机的步进角为5.625°，减速比为64，所以每一步的角度旋转0.08789°。一种最佳的方法是利用步进电机控制功能，如果细分为16，然后步可以分为16，因此，角度变化将是0.0055个。但由于步进电机的电子和机械参数的影响，该细分的实际输出量受到影响。对于每一步之间的距离的交叉点的光束的一个和短跑的冲刺圈将约为1 = 1 *罪（0.08789）。这里d＜PW，PW是PSD的宽度。为选定的PSD的宽度为1.5cm，最大的L将9.77m。

测量距离和方位角的思想是：在一个特设的方式中，发送端和接收侧是相互旋转的。一个已经开始由光断续器检测角度，同时步进电机A和B继续旋转直到从两光束投影在B的PSD和两个景点两边同等距离的PSD的中心。的旋转角度，然后记录的方位角。同时由于线O1O2垂直与PSD表面的距离可以很容易的。

该算法可用于清洗机器人。一是我们的原型：清洁机器人。设备描述的是在一个方形盒和步进电机实现将安装在它的下面。主PCB板由ARM处理器STM32和FPGA芯片。主要的软件进行处理，ARM处理器的一些信号处理功能是FPGA可以减少工作量在主处理器实现实时处理的影响。在机器人的顶部一个大洞，步进电机安装在方形盒固定在步进电机轴，见图8

图8。洁净机器人原型

7结论

采用步进电机驱动的PSD在机器人和外部红外旋转信标，并结合本文中所描述的算法，目前机器人的距离和方位的信标可以计算周期。因此，内部积累误差可以消除。其优点是：它只需要一个外部的信标，同时也可以得到的精度，而不采用昂贵的组件。其内容是：步进电机是易损件，它会降低系统的责任。