引言
移动机器人定位系统的可靠性决定机器人工作的可靠度。目前,机器人定位系统的通信多使用串口通信的方式。串口通信速度较慢,通信正确率波动较大,且易受干扰。所以定位系统以CAN总线作为桥梁,使AVR与PC机能快速通信,有机结合,功能互补。AVR单片机ATmega16做底层数据采集有它简单性与廉价性的特点。ATmega16与PC连为一体的系统设计又使系统有较好的兼容性,基于PC平台的机器人其他程序可以较好地融合进来,通用性较好。定位系统所用定位航迹算法是用光纤陀螺仪感应机器人角度变化,被动光电码盘计算机器人坐标位置;超声波传感器在有标记位置消除定位误差,起辅助定位作用。
1 传感器数据传输系统设计 光纤陀螺仪、被动光电码盘和超声波传感器输出数据由ATmega16的I/O口PA1读入,如图1所示。
图1 基于ATmega16的数据采集节点
数据经ATmega16处理后通过CANL及CANH[12]接口将数据传送给PC节点,如图2所示。
图2 CAN总线与PC机数据接口
2 定位算法
2.1 航迹推算
设机器人形体中心当前位置为点p0(x0,y0,θ0) ,在Δt时间内移动到点p1(x1,y1,θ1);θ1是机器人从x0到x1的角度增量,是陀螺仪在Δt内测量得到的;Δt时间内被动码盘计量的位移为L;机器人转弯半径设为R,O为转弯中心。图3(a)中,机器人走直线,这种情况比较简单。
图3 基于码盘+陀螺仪的定位算法
其坐标变换如下[3]:
图3(b)中,机器人走曲线的情况,其航迹推算如下:
2.2 超声波辅助定位算法
超声波传感器放置在机器人的前端,如图4所示。CAN总线的数据传输方式使添加超声波传感器数据采集节点方便可行,不需要改变其他数据采集点的程序。[page]
图4 超声波传感器定位
根据余弦定理
所以有
其中θ′表示机器人位置相当地标1的角度变化。地标的位置在机器人运行轨迹的两侧。在机器人轨迹有2处定位误差校正点。这些地标位置确定,当机器人靠近地标时,可以用公式(10)求机器人精确坐标。
3 算法实现步骤
Step1: ATmega16采集光纤陀螺仪数据,总线传输数据。
Step2: 采集被动码盘数据,数据发送至CAN总线。
Step3: PC机接收陀螺及码盘数据,根据2.1节算法进行机器人定位运算;是否接受超声波传感器数据,接受超声波数据程序转Step4,不接受超声波校正数据程序转至Step1。
Step4: 接受超声波传感器数据,进行定位误差校正;根据第2节算法,修正移动机器人定位误差,程序转Step1。
4 实验结果及分析4.1 数据来源 机器人实验场地为地板砖地面。实验场地坐标及场地中地标位置如图5所示。在“*”位置进行定位误差校正。
图5 实验场地坐标
4.2 结果分析
在上述工作场地用两种不同的定位系统分别作了20次定位实验:定位系统1为单片机与PC间通信采用串口通信方式;定位系统2为本文所设计定位系统结果如表1所列。
表1 两种定位系统定位结果对比
两种定位方法因为实验相同的定位算法,所以定位精度没有太大区别。机器人在使用定位系统2的软、硬件进行定位时20次实验成功率100%;而定位系统1成功率只有90%,有两次机器人飞车。
结语
本文详细阐述了基于ATmega16和PC机的移动机器人定位系统的电路与定位算法。基于CAN总线的定位系统工作的机器人能较可靠运行;根据需要可以方便增添传感器节点,而不改动其他节点程序。
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