專利名稱：微型機(jī)器人集群的相對(duì)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型機(jī)器人集群，更具體的說，涉及一種微型機(jī)器人集群相對(duì)定位的方法。
背景技術(shù)：
隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線通信等技術(shù)的進(jìn)步，尤其是MEMS 技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)著微型機(jī)器人發(fā)展和應(yīng)用。但機(jī)器人微型化以后，個(gè)體移動(dòng)微型機(jī)器人執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的能力大大降低，人們受到自然界生物如蜜蜂、螞蟻等群體的啟發(fā)，為保證微型移動(dòng)機(jī)器人具有執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的能力，可以采用微型機(jī)器人集群共同完成復(fù)雜的任務(wù)。由于集群機(jī)器人個(gè)體成員的空間分布性，要求集群機(jī)器人在協(xié)作執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)對(duì)社會(huì)成員同時(shí)進(jìn)行定位。從個(gè)體層面上說，機(jī)器人不僅要具備完備的關(guān)于自身的位置知識(shí)，而且要求具備關(guān)于時(shí)變集群鄰居機(jī)器人的位置信息即鄰居機(jī)器人之間的相對(duì)定位。具有相對(duì)定位能力對(duì)集群機(jī)器人完成一些任務(wù)是必須的，例如機(jī)器人共同搬運(yùn)一個(gè)物體、搜索營救、覆蓋任務(wù)等。對(duì)微型集群機(jī)器人而言，相對(duì)定位方法是其關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前存在很少的集群機(jī)器人相對(duì)定位方法，文獻(xiàn)Jim Puge 等人在 IEEE TRANSACTIONS ON MECHATRONICS (IEEE 的機(jī)械會(huì)刊雜志)2009 年發(fā)表的《A Fast Onboard Relative Positioning Module for Multirobot Systems》(一禾中快速多機(jī)器人板上相對(duì)定位系統(tǒng))和Rivard等人在Robotics and Automation, 2008. ICRA 2008. IEEE International Conference on Digital Object Identifier (機(jī)器人和自動(dòng)化、IEEE2008關(guān)于數(shù)字目標(biāo)識(shí)別會(huì)議)發(fā)表的《Ultrasonic Relative Positioning for Multi-Robot Systems))(多機(jī)器人的超聲相對(duì)定位系統(tǒng))。以上兩文所涉及的對(duì)象都是相對(duì)比較大機(jī)器人集群，所采用的是多個(gè)尺寸比較大紅外傳感定位和超聲定位方法都很難應(yīng)用到尺寸在數(shù)十個(gè)立方厘米之內(nèi)的微型機(jī)器人機(jī)器上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種微型機(jī)器人集群的相對(duì)定位方法。該方法針對(duì)微型機(jī)器人的特點(diǎn)進(jìn)行定位，精度高、沒有積累誤差、分布式、快速和可擴(kuò)展寸。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種微型機(jī)器人集群的相對(duì)定位方法，其特征在于集群中每一微型機(jī)器人均安裝有信號(hào)發(fā)送器和接收器以及角度測(cè)量器，集群中任一微型機(jī)器人Ri通過自身發(fā)送信號(hào)被鄰居機(jī)器人Rj接收到，從而搜索到鄰居機(jī)器人Rj，并通過調(diào)整自身方向至鄰居機(jī)器人Rj接收到的信號(hào)最強(qiáng)；然后微型機(jī)器人Ri保持原地不動(dòng)，鄰居機(jī)器人Rj重復(fù)微型機(jī)器人Ri前述的動(dòng)作；當(dāng)微型機(jī)器人Ri和鄰居機(jī)器人Rj互相搜索到對(duì)方且均調(diào)整至彼此接收到的信號(hào)最強(qiáng)的位置，此時(shí)，通過讀取兩個(gè)微型機(jī)器人Ri、Rj的接收器上的值獲得彼此之間的距離， 通過讀取角度測(cè)量器獲得彼此的方向角，完成定位。
所述信號(hào)為紅外信號(hào)，所述信號(hào)發(fā)送器和接收器為紅外傳感器，其中紅外接收傳感器安裝在微型機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)中心以防止在微型機(jī)器人旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)生移位。所述角度測(cè)量器是采用雙軸磁阻傳感器，所述雙軸磁阻傳感器的Y方向與所述紅外發(fā)送傳感器的中心軸以及所述紅外接收傳感器的中心軸位于同一直線上。所述微型機(jī)器人Ri通過在原地士 180°自身旋轉(zhuǎn)去搜索微型機(jī)器人Rj，直到微型機(jī)器人Rj接收到了微型機(jī)器人Ri的紅外發(fā)送信號(hào)。通過讀取兩個(gè)微型機(jī)器人Ri、Rj上的接收器的最大信號(hào)強(qiáng)度值，并對(duì)照信號(hào)強(qiáng)度值與距離表，得到兩個(gè)微型機(jī)器人Ri、Rj各自測(cè)量的彼此之間的相對(duì)距離，然后取該兩個(gè)相對(duì)距離的平均值，即得到兩個(gè)微型機(jī)器人Ri、Rj之間的距離。兩個(gè)微型機(jī)器人Ri、Rj分別讀取各自磁阻傳感器上的值，其中，微型機(jī)器人Ri上的磁阻傳感器的值是微型機(jī)器人Rj相對(duì)于微型機(jī)器人Ri的方向，微型機(jī)器人Rj上的磁阻傳感器的值是微型機(jī)器人Ri相對(duì)于微型機(jī)器人Rj的方向。所述磁阻傳感器在測(cè)量之前需進(jìn)行校驗(yàn)，排除干擾磁場(chǎng)的存在，提高測(cè)量精度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果
1、沒有積累誤差，微型機(jī)器人沒有利用存儲(chǔ)的歷史信息來定位；
2、定位是分布的，微型機(jī)器人依靠自身上的傳感器定位，在機(jī)器人系統(tǒng)外不存在集中的單元；
3、精度高，只是傳感器本身測(cè)量存在的絕對(duì)誤差；
4、復(fù)雜度低，只需很少量的數(shù)據(jù)處理，復(fù)雜度很低；
5、可擴(kuò)展性，增大集群機(jī)器人數(shù)量并不影響機(jī)器人之間的相對(duì)的定位。


圖1為本發(fā)明所公開的紅外傳感器與磁阻傳感器在微型機(jī)器人本體上的位置排列示意圖2為定位開始階段所處狀態(tài)示意圖3為定位搜索階段和調(diào)整階段所處狀態(tài)示意圖4為測(cè)距階段、計(jì)算階段以及修正階段所處狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。本發(fā)明實(shí)施例采用紅外傳感器和磁阻傳感器相配合的相對(duì)定位方法，我們假設(shè)微型機(jī)器人在平面內(nèi)作業(yè)，尺寸在數(shù)十個(gè)立方厘米之內(nèi)，傳感器的安裝位置示意圖如圖1所示。為了適應(yīng)更小尺寸的機(jī)器人，我們只選用一個(gè)紅外發(fā)送傳感器1和一個(gè)全向紅外接收傳感器2，此紅外接收傳感器2放置在了微型機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)中心，以防止在微型機(jī)器人旋轉(zhuǎn)過程中移動(dòng)。雙軸磁阻傳感器3的Y方向與紅外發(fā)送傳感器1的中心軸對(duì)齊且三者的中心軸在同一條直線上。本實(shí)施例采用兩個(gè)微型機(jī)器人RI、R2相互定位，其開始階段狀態(tài)如圖2所示。
兩者實(shí)現(xiàn)定位的過程和具體步驟如下 第一步搜索階段
微型機(jī)器人Rl想確定鄰居機(jī)器人R2相對(duì)于自己位置的方向和距離。首先微型機(jī)器人Rl通過在原地士 180°自身旋轉(zhuǎn)去搜索微型機(jī)器人R2，直到微型機(jī)器人R2接收到了微型機(jī)器人Rl發(fā)出的紅外發(fā)送信號(hào)。如圖2所示。第二步調(diào)整階段
微型機(jī)器人Rl在原地調(diào)整自己的方向，直到微型機(jī)器人R2接收到了微型機(jī)器人 Rl最大的信號(hào)強(qiáng)度。因?yàn)榧t外發(fā)送傳感器有紅外發(fā)送角且在0° (即光軸方向的光)是最強(qiáng)的，可確保我們定位精度很高，誤差很小。如圖3所示。第三步測(cè)距階段
微型機(jī)器人R2在原地調(diào)整自己的方向，直到微型機(jī)器人Rl接收到了微型機(jī)器人 R2最大的信號(hào)強(qiáng)度。微型機(jī)器人Rl記錄接收到微型機(jī)器人R2最大的信號(hào)強(qiáng)度值，通過查找信號(hào)強(qiáng)度值與距離表，可得到微型機(jī)器人Rl和微型機(jī)器人R2之間的相對(duì)距離。如圖4 所示。第四步計(jì)算階段
測(cè)距結(jié)束后，微型機(jī)器人Rl和微型機(jī)器人R2分別讀取各自磁阻傳感器的的值， 微型機(jī)器人Rl的值是微型機(jī)器人R2相對(duì)于微型機(jī)器人Rl的方向，微型機(jī)器人R2的值是微型機(jī)器人Rl相對(duì)于微型機(jī)器人R2的方向。由于磁阻傳感器周圍存在磁干擾，使得所測(cè)的當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)是當(dāng)?shù)氐牡卮艌?chǎng)和當(dāng)?shù)氐母蓴_磁場(chǎng)的矢量和。為了提取所要測(cè)量的當(dāng)?shù)氐牡卮艌?chǎng)，在測(cè)量之前需要做校驗(yàn)工作。這樣可以提高其測(cè)量精度。第五步修正階段
微型機(jī)器人Rl和微型機(jī)器人R2相互發(fā)送各自測(cè)量的彼此之間的距離，即rl和r2， 然后取兩者的平均值r，即微型機(jī)器人Rl和微型機(jī)器人R2間的距離。本實(shí)施例中，紅外發(fā)送傳感器采用的是BPW17N，此傳感器的半角為12°、直徑為 5mm，紅外接收傳感器為SH1203P，半角為75°，磁阻傳感器為MMC2120MG。在實(shí)際的測(cè)試中對(duì)該兩個(gè)微型機(jī)器人相互定位，角度誤差均值為1° ，距離誤差均值2. 3cm。
權(quán)利要求
1.一種微型機(jī)器人集群的相對(duì)定位方法，其特征在于集群中每一微型機(jī)器人均安裝有信號(hào)發(fā)送器和接收器以及角度測(cè)量器，集群中任一微型機(jī)器人Ri通過自身發(fā)送信號(hào)被鄰居機(jī)器人Rj接收到，從而搜索到鄰居機(jī)器人Rj，并通過調(diào)整自身方向至鄰居機(jī)器人Rj接收到的信號(hào)最強(qiáng)；然后微行機(jī)器人Ri保持原地不動(dòng)，鄰居機(jī)器人Rj重復(fù)微型機(jī)器人Ri前述的動(dòng)作；當(dāng)微型機(jī)器人Ri和鄰居機(jī)器人Rj互相搜索到對(duì)方且均調(diào)整至彼此接收到的信號(hào)最強(qiáng)的位置，此時(shí)，通過讀取兩個(gè)微型機(jī)器人Ri、Rj的接收器上的值獲得彼此之間的距離，通過讀取角度測(cè)量器獲得彼此的方向角，完成定位。
2.如權(quán)利要求1所述的微型機(jī)器人集群的相對(duì)定位方法，其特征在于所述信號(hào)為紅外信號(hào)，所述信號(hào)發(fā)送器和接收器為紅外傳感器，其中紅外接收傳感器安裝在微型機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)中心以防止在微型機(jī)器人旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)生移位。
3.如權(quán)利要求2所述的微型機(jī)器人集群的相對(duì)定位方法，其特征在于所述角度測(cè)量器是采用雙軸磁阻傳感器，所述雙軸磁阻傳感器的Y方向與所述紅外發(fā)送傳感器的中心軸以及所述紅外接收傳感器的中心軸位于同一直線上。
4.如權(quán)利要求3所述的微型機(jī)器人集群的相對(duì)定位方法，其特征在于所述微型機(jī)器人Ri通過在原地士 180°自身旋轉(zhuǎn)去搜索微型機(jī)器人Rj，直到微型機(jī)器人Rj接收到了微型機(jī)器人Ri的紅外發(fā)送信號(hào)。
5.如權(quán)利要求4所述的微型機(jī)器人集群的相對(duì)定位方法，其特征在于通過讀取兩個(gè)微型機(jī)器人Ri、Rj上的接收器的最大信號(hào)強(qiáng)度值，并對(duì)照信號(hào)強(qiáng)度值與距離表，得到兩個(gè)微型機(jī)器人Ri、Rj各自測(cè)量的彼此之間的相對(duì)距離，然后取該兩個(gè)相對(duì)距離的平均值，即得到兩個(gè)微型機(jī)器人Ri、Rj之間的距離。
6.如權(quán)利要求5所述的微型機(jī)器人集群的相對(duì)定位方法，其特征在于兩個(gè)微型機(jī)器人Ri、Rj分別讀取各自磁阻傳感器上的值，其中，微型機(jī)器人Ri上的磁阻傳感器的值是微型機(jī)器人Rj相對(duì)于微型機(jī)器人Ri的方向，微型機(jī)器人Rj上的磁阻傳感器的值是微型機(jī)器人Ri相對(duì)于微型機(jī)器人Rj的方向。
7.如權(quán)利要求6所述的微型機(jī)器人集群的相對(duì)定位方法，其特征在于所述磁阻傳感器在測(cè)量之前需進(jìn)行校驗(yàn)，排除干擾磁場(chǎng)的存在，提高測(cè)量精度。
全文摘要
一種微型機(jī)器人集群的相對(duì)定位方法，集群中每一微型機(jī)器人均安裝有信號(hào)發(fā)送器和接收器以及角度測(cè)量器，集群中任一微型機(jī)器人Ri通過自身發(fā)送信號(hào)被鄰居機(jī)器人Rj接收到，從而搜索到鄰居機(jī)器人Rj，并通過調(diào)整自身方向至鄰居機(jī)器人Rj接收到的信號(hào)最強(qiáng)；然后微行機(jī)器人Ri保持原地不動(dòng)，鄰居機(jī)器人Rj重復(fù)微型機(jī)器人Ri前述的動(dòng)作；當(dāng)微型機(jī)器人Ri和鄰居機(jī)器人Rj互相搜索到對(duì)方且均調(diào)整至彼此接收到的信號(hào)最強(qiáng)的位置，此時(shí)，通過讀取兩個(gè)微型機(jī)器人Ri、Rj的接收器上的值獲得彼此之間的距離，通過讀取角度測(cè)量器獲得彼此的方向角，完成定位。該方法針對(duì)微型機(jī)器人的特點(diǎn)進(jìn)行定位，精度高、沒有積累誤差、分布式、快速和可擴(kuò)展等。
文檔編號(hào)G01S1/70GK102305923SQ20111021536
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者張大偉, 李振波, 毛玲, 陳佳品 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)