一種可重構室內移動機器人導航性能測評儀及其測評方法與流程
本發明涉及移動機器人導航性能指標測評裝置及其測評方法，特別涉及一種可重構室內移動機器人導航性能測評儀及其測評方法，屬于測試與控制領域。
背景技術：
機器人產業已成為世界各國高度關注的戰略性新興產業，多個國家已提出機器人發展國家戰略，推動本國機器人和自主系統技術的研發與創新。如何檢測和評價機器人的質量,對提到機器人性能、和應用具有重要意義。我國正在積極籌建國家機器人質量監督檢驗中心。自主導航技術是實現機器人在未知環境中自主運動能力的一項最為關鍵的技術，自主導航技術能力的檢測和評價是推進自主系統技術發展的核心內容。
目前，世界范圍內系統性的自主移動平臺性能測試與評價研究工作，僅體現在美國國家標準研究院應急響應機器人測試、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年開展了一項應急響應機器人標準測試方法的研究項目，其目標是開發機器人性能測試標準。涉及導航性能測試項目主要隨機迷宮、復雜地形的迷宮走廊地圖構建、稀疏特征迷宮地圖構建等任務。評價機器人導航性能的核心是跟蹤路徑、識別標志并進行不同響應，目標遍歷程度和完成任務時間是性能評價的主要指標。世界范圍內舉辦的歷屆無人車挑戰賽直接將安全、快速地到達目的地作為考核指標，通過比賽規則裁判組進行評分來評價安全性、平穩性、智能性，以及速度指標。
文獻資料調研結果表明：如何定量的、客觀的評價導航技術的性能尚未有統一的標準，且缺少相關的專用測量設備。
技術實現要素：
為解決室內大范圍測試環境下，移動機器人導航性能指標體系和性能指標測評問題，本發明提供了一種具有可重構能力的移動機器人導航性能評測儀。
本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：一種可重構室內移動機器人 導航性能測評儀，包括定位傳感器、攝影測量系統、計算機、移動機器人以及設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均與計算機連接；所述定位傳感器設置于測試區域的上面或側面。
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域與相鄰的定位傳感器的探測區域有重疊。
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置于其表面的多個反射靶。
一種可重構室內移動機器人導航性能測評方法，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)根據相鄰兩個定位傳感器探測重疊區域內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系；
3)移動機器人在多個定位傳感器探測區域內移動；當移動機器人進入某個定位傳感器的探測區域時，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；然后根據各定位傳感器之間的矢量位置關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、數理統計和回歸分析得到設定指標的評分,實現移動機器人導航性能的測評。
所述通過定位傳感器和攝影測量系統對測量標靶進行標定包括以下步驟：
通過攝影測量系統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Dm,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；
根據兩個測量標靶的中心位置得到兩個測量標靶的中心距Dd。
所述根據每相鄰的兩個定位傳感器探測的重疊區域得到各定位傳感器之間的矢量位置關系包括以下步驟：
在每個相鄰兩個定位傳感器(a,b)的探測重疊區域內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系如下：
Ra,b＝Qa,j-Qb,j
其中，(a,b)表征具有重疊區域的定位傳感器對；Ra,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Qa,,j、Qb,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。
所述根據各定位傳感器之間的矢量位置關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的測量區域內，根據定位傳感器i采集到的反射靶k的位置Lm,k(m＝1,2)和各反射靶相對于該測量標靶中心的位置Dm,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Pm,i；K為定位傳感器i能夠采集到的反射靶的數目；
然后根據測量標靶m在定位傳感器i中的位置Pm,i和所經歷的n個定位傳感器的相對位置Ra,b，計算測量標靶m的絕對位置：Sm,t＝ΣRa,b+Pm,i，i≥2；n為重疊區域的個數；
矢量Sm,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Pm,i表示測量靶標m相對于定位傳感器i的位置；Ra,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，根據任意測量時刻t兩個測量標靶的位置S1,t和S2,t,直接得到移動機器人的位置矢量S1,t或S2,t，以及表征機器人航向角的矢量S1,t–S2,t。
本發明具有以下有益效果及優點：
1、本發明中多臺式定位傳感器可進行重新組合適應不同面積大小的測試環境。
2、本發明采用的測量桁架可伸縮，標定簡單，適用于體積大、中、小型號的室內移動機器人導航性能測試。
3、本發明具有測量精度高、動態特性好等優點，水平定位精度±1厘米、航向精度±0.6度。
4、本發明涉及一種可重構室內移動機器人導航性能評測儀器和導航性能指標體系，實現移動機器人導航性能的測量和綜合評估，提供科學的依據，使學者能夠發現導航算法或系統存在的問題，促進機器人和自主系統的創新。也為移動機器人的生產者、銷售者和購置者提供更為統一、直觀、準確的評價標準。
附圖說明
圖1為本發明的系統組成圖。
圖2為多臺定位傳感器可重構示意圖。
圖3為不規則測試環境下的多臺定位傳感器可重構示意圖。
圖4為本發明的測量桁架結構示縮短狀態示意圖。
圖5本發明的測量桁架結構伸長狀態示意圖。
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，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
下面結合附圖及實施例對本發明做進一步的詳細說明。
圖1為可重構室內移動機器人導航性能測評儀組成圖，包括多個定位傳感器、測量桁架、攝影測量系統以及計算機。定位傳感器、攝影測量系統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)。雙攝像頭傳感器設于測試區域的上方或側面，可進行任意的串行、并行排列組合適應任意范圍的測試環境，任意相鄰的兩臺定位傳感器之間存在測量重疊區域。相鄰定位傳感器間被測機器人的位置通過放置在重疊區域的標定靶位置來確定的。
圖2為多臺定位傳感器可重構示意圖，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域的寬度。
圖3為不規則測試環境下，多臺定位傳感器可重構示意圖，本專利所述的導航性能測評儀可重構特性體現在：可根據測試環境的覆蓋區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，可依據被測移動機器人的體積大小，調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，伸縮式結構設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對稱安裝四個直線軸承對應四根伸縮桿，方盒的底面有四個螺紋孔用來安裝固定頂絲，實現導向桿的位置鎖定。當需要調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/外拉出，到達指定位置后，將固定頂絲擰緊固定伸縮桿。
攝影測量系統采用手持式攝影測量系統(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航性能指標，并生成導航性能評估報告。
圖6為任意相鄰定位傳感器被測機器人位置確定圖，通過在測量重疊區域內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。
計算機實現多個定位傳感器、攝影測量系統的控制，實現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、數理統計和回歸分析得到設定項指標的評分；根據各指標的得分設定等級，用于對機器人導航性能的測評。被測移動機器人的導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、完成任務時間、停機次數和時間、任務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域的標定靶位置來確定的，如圖6所示。矢量Sm,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Pm,i表示測量標靶m相對于定位傳感器i的位置；矢量Qa,j、Qb,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；Ra,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，根據標定靶的位置直接得到
Ra,b＝Qa,j-Qb,j (公式1)
當移動機器人經歷第i個定位傳感器時，測量標靶m的位置矢量為
Sm,t＝ΣRa,b+Pm,i (公式2)
可重構室內移動機器人導航性能評測儀的測試流程：
1.依據測試環境，對定位傳感器進行配置，確保測量范圍覆蓋測試環境；
2.將標定靶置于相鄰定位傳感器重疊區域，保證相鄰兩個定位傳感器能夠拍攝到標定靶，并依據公式1確定相鄰定位傳感器的相對位置關系：
在每個相鄰兩個定位傳感器(a,b)的探測重疊區域內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系如下：
Ra,b＝Qa,j-Qb,j
其中，(a,b)表征具有重疊區域的定位傳感器對；Ra,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Qa,,j、Qb,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.被測機器人駛入測試環境中，手持攝影測量系統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系Dm,k、以及桁架上測量標靶中心間的距離Dd。
4.被測機器人按照預定的任務進行規劃運動，通過測試環境，可重構室內移動機器人導航性能評測儀將根據公式2確定測量標靶的位置Sm,t。當移動機器人經過定位傳感器i、i+1重疊區域時,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Sm,t。具體步驟如下：
首先當移動機器人進入定位傳感器i的測量區域內，根據定位傳感器i采集到的反射靶k的位置Lm,k(m＝1,2)和各反射靶相對于該測量標靶中心的位置Dm,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Pm,i；K為定位傳感器i能夠采集到的反射靶的數目，工作過程中，K≥3；
然后根據測量標靶m在定位傳感器i中的位置Pm,i和所經歷的n個定位傳感器的相對位置Ra,b，計算測量標靶m的絕對位置：Sm,t＝ΣRa,b+Pm,i，i≥2；n為重疊區域的個數；
矢量Sm,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Pm,i表示測量靶標m相對于定位傳感器i的位置；Ra,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，根據任意測量時刻t測量標靶的位置Sm,t,直接得到移動機器人的位置矢量S1,t和S2,t，以及表征機器人航向角的矢量S1,t–S2,t，其中位置矢量S1,t或S2,t的集合作為航跡。結合測試環境要素特征，采用層次分析法、數理統計及回歸分析方法實現導航性能指標的評估，最終生成測試報告。
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