一種自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與定位性能測(cè)試裝置及測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于測(cè)試與控制領(lǐng)域，涉及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)導(dǎo)航與定位性能測(cè)試裝置和測(cè)試方 法，具體的說(shuō)是一種自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與定位性能測(cè)試裝置及測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)制造和物流自動(dòng)化、民用車(chē)輛智能化、軍事偵察和作戰(zhàn)、自然災(zāi)害和安全救 援、極地和外星探險(xiǎn)等方面的應(yīng)用已經(jīng)充分體現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的重要價(jià)值，提高移動(dòng)機(jī)器人 的自主能力是一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)，也是國(guó)際機(jī)器人技術(shù)研究最為前沿的挑戰(zhàn)。然而，導(dǎo)航 與定位系統(tǒng)是移動(dòng)機(jī)器人感知外部環(huán)境、實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)的核心技術(shù)，已經(jīng)提出慣性導(dǎo)航、視 覺(jué)導(dǎo)航、激光雷達(dá)導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航以及融合多種信息的組合導(dǎo)航方法等等。上述導(dǎo)航方式與 算法表現(xiàn)出不同的優(yōu)勢(shì)，如何測(cè)試和評(píng)估自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與定位系統(tǒng)的性能，成為推 動(dòng)或促進(jìn)自主移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前，尚未檢索到自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與定位 系統(tǒng)性能測(cè)試裝置與系統(tǒng)的評(píng)估方法。因此，研制高精度導(dǎo)航與定位性能測(cè)試裝置、測(cè)試與 評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與定位性能的測(cè)試與評(píng)估，對(duì)于改進(jìn)導(dǎo)航與定位 算法，提高自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與定位性能具有重要的實(shí)際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種自主 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與定位性能測(cè)試裝置及測(cè)試方法。
[0004] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與定位性 能測(cè)試裝置，包括：
[0005] 測(cè)試基準(zhǔn)站，固定于任意空曠的位置，用于向所述測(cè)試移動(dòng)站發(fā)送校正信息；
[0006] 測(cè)試移動(dòng)站，固定于被測(cè)機(jī)器人上，與所述測(cè)試基準(zhǔn)站無(wú)線通訊，用于實(shí)時(shí)采集、 記錄機(jī)器人的位置信息；
[0007] 離線數(shù)據(jù)處理與評(píng)估系統(tǒng)，與所述測(cè)試移動(dòng)站通訊，用于根據(jù)所述測(cè)試移動(dòng)站采 集的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與定位性能指標(biāo)的評(píng)估。
[0008] 所述測(cè)試基準(zhǔn)站包括：
[0009] 差分GPS基站，用于實(shí)時(shí)獲取GPS數(shù)據(jù)信息并通過(guò)串口傳遞給數(shù)傳發(fā)射機(jī)，其參數(shù) 通過(guò)串口進(jìn)行設(shè)置；
[0010] 數(shù)傳發(fā)射機(jī)，將實(shí)時(shí)GPS數(shù)據(jù)信息作為校正信息發(fā)送給測(cè)試移動(dòng)站；
[0011] 電源管理模塊，用于實(shí)現(xiàn)交流220V電源到+12V直流電源的轉(zhuǎn)換，并提供給所述差 分GPS基站和數(shù)傳發(fā)射機(jī)。
[0012] 所述測(cè)試移動(dòng)站包括：
[0013] 數(shù)傳接收機(jī)，用于接收所述測(cè)試基準(zhǔn)站發(fā)送的校正信息，并通過(guò)串口傳遞給GPS接收機(jī)；
[0014]GPS接收機(jī)，接收所述數(shù)傳接收機(jī)發(fā)送的校正信息，融合自身接收的位置信息數(shù) 據(jù)，得到被測(cè)機(jī)器人的定位信息；
[0015] 總線嵌入式控制器，與所述GPS接收機(jī)串口通訊，
[0016] 顯示窗口，為觸摸屏，通過(guò)圖形界面實(shí)現(xiàn)外部控制指令的輸入和信息顯示；
[0017] 電源管理模塊，用于實(shí)現(xiàn)直流+24V電源到+5V、+12V的轉(zhuǎn)換，分別供給數(shù)傳接收機(jī) 和總線嵌入式控制器、GPS接收機(jī)。
[0018] 所述定位性能指標(biāo)包括定位精度、速度指標(biāo)、導(dǎo)航效率；
[0019] 所述定位精度包括靜態(tài)定位誤差和動(dòng)態(tài)軌跡誤差；
[0020] 所述靜態(tài)定位誤差包括機(jī)器人的X軸誤差最大值、X軸誤差均值、X軸誤差標(biāo)準(zhǔn)差、 Y軸誤差最大值、Y軸誤差均值、Y軸誤差標(biāo)準(zhǔn)差；
[0021] 所述動(dòng)態(tài)軌跡誤差包括機(jī)器人的位置誤差最大值、位置誤差均值、位置誤差標(biāo)準(zhǔn) 差、航向偏差最大值、航向偏差均值、航向偏差標(biāo)準(zhǔn)差；所述速度指標(biāo)包含速度最大值、速度 均質(zhì)；所述導(dǎo)航效率指標(biāo)包含完成任務(wù)時(shí)間、軌跡總體長(zhǎng)度、曲率能量。所述測(cè)試移動(dòng)站與 所述離線數(shù)據(jù)處理與評(píng)估系統(tǒng)采用FTP通訊方式。
[0022] -種自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與定位性能測(cè)試方法，包括以下步驟：
[0023] 被測(cè)機(jī)器人做直線運(yùn)動(dòng)、繞中心自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、Z字形狀運(yùn)動(dòng)、以及IS0-3888-1國(guó)際標(biāo) 準(zhǔn)構(gòu)建的測(cè)試航跡運(yùn)動(dòng)，對(duì)被測(cè)機(jī)器人進(jìn)行路徑跟蹤，得到被測(cè)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡。[0024] 當(dāng)被測(cè)機(jī)器人做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，
[0025] 設(shè)嚴(yán)格直線運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)坐標(biāo)為（Xl，yi)、終點(diǎn)坐標(biāo)為（x2，y2)，對(duì)于自主移動(dòng)機(jī)器人經(jīng) 過(guò)的軌跡點(diǎn)（Xl， yi)，直線路徑軌跡誤差為
[0026]
[0027] 當(dāng)被測(cè)機(jī)器人做繞中心自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，軌跡誤差為實(shí)際軌跡點(diǎn)到自轉(zhuǎn)中心的距離與 理想自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)半徑的差值。
[0028] 當(dāng)被測(cè)機(jī)器人做Z字形狀運(yùn)動(dòng)或按IS0-3888-1國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的測(cè)試航跡運(yùn)動(dòng)時(shí)， 軌跡誤差包含直線運(yùn)動(dòng)軌跡誤差、繞中心自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡誤差2部分。
[0029] 還包括：計(jì)算表示被測(cè)機(jī)器人行走路徑的彎曲程度的曲率能量，具體為：設(shè)路徑 上任意點(diǎn)（Xyfh))的曲率為k，則
[0030]
[0031] 曲率能量BE為每個(gè)點(diǎn)的曲率平方和的均值：
[0032]
[0033] 其中，η表示測(cè)試點(diǎn)的數(shù)量。
[0034] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
[0035] 1、具有測(cè)試精度高、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，5km直徑范圍內(nèi)，自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與 定位性能測(cè)試裝置測(cè)試精度誤差2cm。
[0036] 2、本發(fā)明具有良好的人機(jī)操作界面，操作過(guò)程可視化、簡(jiǎn)單。
[0037] 3、本發(fā)明中導(dǎo)航與定位性能測(cè)試裝置，以及性能指標(biāo)測(cè)試與評(píng)估方法，解決了自 主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與定位性能指標(biāo)測(cè)試問(wèn)題。
[0038] 4、本發(fā)明適合于野外空曠環(huán)境下自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與定位性能的測(cè)試。
【附圖說(shuō)明】
[0039] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成圖；
[0040] 圖2為本發(fā)明的測(cè)試基準(zhǔn)站組成圖。
[0041] 圖3為本發(fā)明的移動(dòng)站組成圖。
[0042] 圖4為本發(fā)明的自主移動(dòng)機(jī)器人性能指標(biāo)。
[0043] 圖5為本發(fā)明的4種測(cè)試航跡。
[0044] 圖6本發(fā)明實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)機(jī)器人性能測(cè)試框架。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0046] 圖1為自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與定位性能測(cè)試裝置系統(tǒng)組成圖，包括測(cè)試基準(zhǔn)站、 由數(shù)傳接收機(jī)、GPS接收機(jī)及在線GPS數(shù)據(jù)采集與處理計(jì)算機(jī)組成的測(cè)試移動(dòng)站、離線數(shù)據(jù) 處理與評(píng)估系統(tǒng)，測(cè)試基準(zhǔn)站與測(cè)試移動(dòng)站之間采用無(wú)線通訊，測(cè)試移動(dòng)站與離線數(shù)據(jù)處 理與評(píng)估系統(tǒng)采用FTP通訊方式。移動(dòng)基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)接收測(cè)試基準(zhǔn)站的校正信息，實(shí)現(xiàn)被測(cè) 自主移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行軌跡測(cè)試。
[0047] 如圖2所示，測(cè)試基準(zhǔn)站中，電源管理模塊實(shí)現(xiàn)交流220V電源到+12V直流電源的 轉(zhuǎn)化，并提供給數(shù)傳發(fā)射機(jī)、差分GPS基站，差分GPS基站實(shí)時(shí)獲取GPS數(shù)據(jù)信息并通過(guò)串 口傳遞給數(shù)傳發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)校正信息的發(fā)送。可通過(guò)串口設(shè)置差分GPS基站的參數(shù)。
[0048] 如圖3所示，測(cè)試移動(dòng)站中，電源管理模塊實(shí)現(xiàn)直流+24V電源到+5V、+12V的轉(zhuǎn) 化，分別供給數(shù)傳接收機(jī)和PC104總線嵌入式控制器、GPS接收機(jī)，數(shù)傳接收機(jī)接收到的校 正數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳遞給GPS接收機(jī)，GPS接收機(jī)融合自身接收的GPS數(shù)據(jù)、校正數(shù)據(jù)獲得高 精度的定位信息。
[0049]PC104總線控制計(jì)算機(jī)與GPS接收機(jī)采用串口通訊，實(shí)現(xiàn)GPS定位信息的實(shí)時(shí)采 集，顯示窗口具有觸摸屏，通過(guò)圖形界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視等操作。
[0050] 離線數(shù)據(jù)處理與評(píng)估系統(tǒng)，進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的融合，獲得自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與定 位性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果。
[0051] 如圖4所示，定位性能指標(biāo)包括定位精度、速度指標(biāo)、導(dǎo)航效率；