庭院服務(wù)機(jī)器人自主充電對(duì)接方法研究

李倩，崔煒，秦月雅，彭國(guó)旗

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

庭院服務(wù)機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)自主巡邏、收取快遞、草坪修剪、垃圾運(yùn)送等功能，具有靈活、便捷的特征，將廣泛應(yīng)用于庭院和智能小區(qū)管理。自主充電能夠使機(jī)器人在無人干預(yù)的情況下長(zhǎng)期處于正常服務(wù)狀態(tài)，為機(jī)器人的使用帶來極大方便。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)自主充電進(jìn)行了廣泛研究，K.L.Su和J.H.Guo等使用激光測(cè)距儀和路標(biāo)指示進(jìn)行機(jī)器人自動(dòng)充電對(duì)接［1］，成功率高達(dá)99%，但對(duì)路標(biāo)指示安裝位置要求嚴(yán)格，且激光測(cè)距精度易受外界環(huán)境干擾。Cassini等設(shè)計(jì)了一種通過光線束引導(dǎo)機(jī)器人與充電站進(jìn)行自主充電的方法［2］，該方法的導(dǎo)航布置復(fù)雜、成本較高、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性較差。張?zhí)礻朗褂霉怆妭鞲衅魍瓿蓹C(jī)器人室內(nèi)定位與自動(dòng)充電，使用航跡推算使得整個(gè)系統(tǒng)累積誤差增大，同時(shí)光電傳感器限制整個(gè)系統(tǒng)的速度［3］。黃穎等運(yùn)用紅外激光和攝像頭輔助機(jī)器人自主充電，高效準(zhǔn)確但作用范圍小，同時(shí)增加了成本。由于室外機(jī)器人充電系統(tǒng)環(huán)境復(fù)雜，以上方法過多依賴室內(nèi)環(huán)境，易受外界環(huán)境（陽光等）干擾使得自主充電的準(zhǔn)確率和效率降低，黎陽生等將激光測(cè)距方法運(yùn)用到室外機(jī)器人自主充電中，使用等腰三角形物體等硬件輔助消除干擾，雖然提高了成功率但增加成本和降低效率。

上述方法不能較好滿足庭院服務(wù)機(jī)器人自主充電需求，本文將RFID導(dǎo)航技術(shù)、磁導(dǎo)航和九軸陀螺儀相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種庭院服務(wù)機(jī)器人自主充電對(duì)接方法，利用蟻群算法實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)路徑選取，具有對(duì)接速度快、受環(huán)境影響小、穩(wěn)定性高、成本低等特點(diǎn)。

1 自主充電對(duì)接系統(tǒng)

本文以輪式庭院服務(wù)機(jī)器人為研究對(duì)象，庭院服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航定位組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)器人采用四輪結(jié)構(gòu)，前兩輪為驅(qū)動(dòng)輪，后兩輪為萬向從動(dòng)輪。

圖1 機(jī)器人導(dǎo)航定位原理圖

主控處理器通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，并通過光電編碼器實(shí)時(shí)返回電機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人行走速度的準(zhǔn)確控制。在機(jī)器人檢測(cè)到電量不足的情況下，停止服務(wù)任務(wù)，進(jìn)入充電模式，機(jī)器人將充電命令通過WIFI模塊發(fā)送給充電站，充電站接受到命令進(jìn)入準(zhǔn)備充電狀態(tài)。此時(shí)機(jī)器人會(huì)根據(jù)RFID定位系統(tǒng)獲取機(jī)器人實(shí)時(shí)位置，結(jié)合已知的電磁軌道起始位置，運(yùn)用蟻群算法制定最優(yōu)的導(dǎo)航路徑。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到電磁軌道起始處，安裝于底部的電磁傳感器檢測(cè)機(jī)器人相對(duì)于軌道的偏移量，并結(jié)合九軸姿態(tài)傳感器GY953獲取的機(jī)器人方向信息，得到電機(jī)控制量，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制量完成兩主動(dòng)輪的差速控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿著電磁軌道直線運(yùn)行，進(jìn)而與充電站進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)接，通過獲取充電站中3個(gè)限位開關(guān)的狀態(tài)來判斷對(duì)接狀態(tài)，若對(duì)接成功便可開啟充電模式。

2 自主充電對(duì)接方法

為了提高機(jī)器人與充電樁的對(duì)接準(zhǔn)確率，將室外庭院環(huán)境分為對(duì)接區(qū)域和非對(duì)接區(qū)域，如圖2所示，電磁導(dǎo)航區(qū)域?yàn)閷?duì)接區(qū)域，機(jī)器人R在該區(qū)域進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整以便達(dá)到準(zhǔn)確對(duì)接［4］，除電磁導(dǎo)航以外區(qū)域?yàn)榉菍?duì)接區(qū)域，該區(qū)域中機(jī)器人只需要導(dǎo)航至O處，可以忽略機(jī)器人姿態(tài)問題，因此本文將對(duì)接過程分為遠(yuǎn)距離導(dǎo)航和近距離對(duì)接。

圖2 庭院環(huán)境簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

2.1 遠(yuǎn)距離導(dǎo)航

為了方便對(duì)接區(qū)域的準(zhǔn)確對(duì)接，在非對(duì)接區(qū)域，機(jī)器人將導(dǎo)航目標(biāo)位置設(shè)為圖2所示的O處，機(jī)器人到達(dá)O處后，停止遠(yuǎn)距離導(dǎo)航進(jìn)入近距離對(duì)接任務(wù)。

在非對(duì)接區(qū)域，獲取精確的機(jī)器人位置至關(guān)重要，精確的位置可以有效減少對(duì)接調(diào)整時(shí)間。當(dāng)機(jī)器人電量低于閾值時(shí)，觸發(fā)充電任務(wù)，由于機(jī)器人可能在庭院的任何位置，此刻首要任務(wù)就是確定機(jī)器人的位置。將3.5GHz超帶寬（UWB）的DWM1000射頻傳感器安裝于庭院的四個(gè)角落和輪式機(jī)器人中心處，A、B、C、D為閱讀器，機(jī)器人上為有源電子標(biāo)簽，為了消除射頻傳感的鐘差，運(yùn)用基于TOA的不對(duì)稱雙向測(cè)距［5］獲得電子標(biāo)簽距離信息，如圖3所示。

圖3 不對(duì)稱雙向測(cè)距原理圖

不對(duì)稱雙向測(cè)距飛行時(shí)間tF為：

從而得到距離d=c×tF，其中，c為光速。

機(jī)器人上的電子標(biāo)簽依次輪詢閱讀器A、B、C、D，測(cè)得電子標(biāo)簽與四個(gè)閱讀器之間的距離依次為dA、dB、dC、dD。

采用極大似然估計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位。已知4個(gè)閱讀器的坐標(biāo)分別為A(xA,yA)，B(xB,yB)，C(xC,yC)，D(xD,yD)，假設(shè)機(jī)器人坐標(biāo)為(x,y)，建立機(jī)器人與四個(gè)閱讀器的距離方程組［6］為：

將方程組前三個(gè)方程分別減去第四個(gè)方程，得到線性化方程為：

其中：

使用最小二乘法求解式子（3）可得到機(jī)器人的坐標(biāo)位置值。

獲得機(jī)器人坐標(biāo)后，首要任務(wù)是將機(jī)器人導(dǎo)航至目標(biāo)位置O處。此時(shí)會(huì)有兩種情況：

庭院中障礙物均是固定位置，對(duì)接區(qū)域?qū)凫o態(tài)場(chǎng)景。采用柵格法［7，8］建立庭院機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)環(huán)境模型，為了機(jī)器人能安全通過，障礙物邊界未占滿柵格，也認(rèn)為占據(jù)整個(gè)柵格。將非對(duì)接區(qū)劃分成等間隔柵格，且柵格的大小由機(jī)器人決定，機(jī)器人不能通過的地方為實(shí)心區(qū)域，可通過地方為空心區(qū)域，建模如圖4所示。

圖4中每一個(gè)柵格都可用坐標(biāo)(x,y)來唯一標(biāo)識(shí)，柵格化后，機(jī)器人只能向8個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，由于傳統(tǒng)的蟻群算法存在容易陷入局部最優(yōu)路徑或收斂速度慢等問題，于是在柵格路徑選擇上使用改進(jìn)蟻群算法［9，10］。

圖4 柵格法環(huán)境模型圖

其中，r為柵格(i,j)下一個(gè)可選柵格，b為障礙物，α為信息啟發(fā)因子，β為期望啟發(fā)因子，[γ(i,j)b(t)]-k=mind[(i,j),b]是螞蟻從柵格(i,j)到障礙物b的權(quán)重倒數(shù)，η(i,j)(m,n)(t)為啟發(fā)函數(shù)。

由于螞蟻分泌的信息素會(huì)隨著時(shí)間變化逐步揮發(fā)，假設(shè)ρ(0＜ρ＜1)為信息素衰減程度，1-ρ為留存的信息素程度。因此完成一次遍歷便對(duì)路徑中信息素按下式進(jìn)行更新：

其中，M、N為尋找到最優(yōu)路徑［11］的螞蟻個(gè)數(shù)和最長(zhǎng)路徑螞蟻個(gè)數(shù)，lmin、lmax為最優(yōu)和最長(zhǎng)路徑長(zhǎng)度期望值。

當(dāng)庭院中存在移動(dòng)障礙物時(shí)，通過障礙物攜帶的電子標(biāo)簽，實(shí)時(shí)獲取其位置。在靜態(tài)全局路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，利用蟻群算法沿著全局路徑的方向進(jìn)行局部尋優(yōu)［12］，從而有效地避開動(dòng)態(tài)障礙物，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境下快速達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)。

2.2 近距離對(duì)接

當(dāng)對(duì)接不精確時(shí)，容易發(fā)生接觸不良，損壞機(jī)器人和充電站。因此，機(jī)器人必須進(jìn)行近距離精準(zhǔn)對(duì)接，通過磁傳感器、九軸傳感器獲得機(jī)器人的方向和位置信息，對(duì)該信息進(jìn)行分析處理，完成近距離對(duì)接任務(wù)。

在非對(duì)接區(qū)域，沒有考慮機(jī)器人姿態(tài)，進(jìn)入對(duì)接區(qū)域時(shí)，輪式機(jī)器人方向具有隨機(jī)性或電磁傳感器沒有檢測(cè)到電磁軌道，因此，在對(duì)接區(qū)域必須對(duì)機(jī)器人姿態(tài)進(jìn)行修正，以達(dá)到滿足自主充電系統(tǒng)對(duì)接要求。近距離對(duì)接過程如下：

（1）機(jī)器人進(jìn)入對(duì)接區(qū)域，即機(jī)器人處于O處，啟動(dòng)近距離對(duì)接程序；

（2）通過傳感器獲得機(jī)器人方向和位置信息，判斷機(jī)器人是否與充電站墻壁垂直，機(jī)器人是否與電磁軌道相交；存在如下判斷結(jié)果：

①方向垂直，機(jī)器人與電磁軌道相交，執(zhí)行步驟（3）。

②方向垂直，機(jī)器人未與電磁軌道相交，或方向不垂直，機(jī)器人未與電磁軌道相交，此時(shí)機(jī)器人原地順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，電磁傳感器檢測(cè)到磁條，停止轉(zhuǎn)動(dòng)執(zhí)行步驟（2）；轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，電磁傳感器沒有檢測(cè)到磁條，開啟RFID定位，獲取機(jī)器人位置進(jìn)行導(dǎo)航，若與目標(biāo)O處之間沒有障礙物，機(jī)器人直接運(yùn)動(dòng)至O處，若有障礙物運(yùn)行蟻群算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，以最優(yōu)路徑引導(dǎo)至O處后，執(zhí)行步驟（1）。

③方向不垂直，機(jī)器人與電磁軌道相交，以充電站到O處的方向?yàn)檎较颉Ｅc軌道成銳角，機(jī)器人原地逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到電磁傳感器再一次檢測(cè)到磁條，停止轉(zhuǎn)動(dòng)執(zhí)行步驟（2）；與軌道成鈍角，執(zhí)行步聚（3）。

（3）機(jī)器人通過電磁傳感器檢測(cè)相對(duì)于軌道的偏移量，結(jié)合九軸傳感器檢測(cè)到的角度偏差量，計(jì)算兩輪差速控制量，運(yùn)用模糊控制進(jìn)行近距離處理，執(zhí)行步驟（4）；

（4）與充電站對(duì)接過程中，通過3個(gè)限位開關(guān)的狀態(tài)反饋充電對(duì)接狀態(tài)：①限位開關(guān)C未觸發(fā)，Z、Y至少觸發(fā)一個(gè)，說明沒有準(zhǔn)確對(duì)接，機(jī)器人直接向后倒退0.8m，執(zhí)行步驟（2）；②限位開關(guān)C、Z、Y均觸發(fā)，說明正確對(duì)接，執(zhí)行步驟（5）。

（5）機(jī)器人與充電站完成對(duì)接，停止移動(dòng)，進(jìn)行充電任務(wù)。

圖5 限位開關(guān)安裝位置

經(jīng)過上述5步，即可完成機(jī)器人與充電站精準(zhǔn)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)安全可靠的充電條件。庭院服務(wù)機(jī)器人自主充電對(duì)接整個(gè)流程如圖6所示。

圖6 對(duì)接流程圖

3 目標(biāo)對(duì)接仿真

為了驗(yàn)證該自主充電對(duì)接方法的可行性、準(zhǔn)確性以及實(shí)用性。對(duì)機(jī)器人導(dǎo)航能力進(jìn)行仿真，其中路徑規(guī)劃參數(shù)：螞蟻數(shù)m=50，迭代次數(shù)n=100，信息素增加強(qiáng)度Q=1，信息啟發(fā)因子α=1，期望啟發(fā)因子β=7，信息素衰減程度ρ=0.3。得到三條不同起始位的置最優(yōu)路徑如圖7所示，圖8中收斂曲線顯示，60次迭代后，曲線已經(jīng)收斂。

圖7 蟻群算法最優(yōu)路徑

圖8 蟻群算法收斂曲線

忽略機(jī)器人在彎道上速度的衰減，不考慮遠(yuǎn)距離導(dǎo)航和近距離對(duì)接過程的切換時(shí)間，設(shè)對(duì)接區(qū)長(zhǎng)度為1m，機(jī)器人速度為20cm/s。分別取與電磁軌道成 0°、30°、45°、60°和 90°五個(gè)方向的6個(gè)不同距離完成對(duì)接時(shí)間與距離關(guān)系仿真，如圖9所示，其中最下邊的線段表示無障礙物時(shí)對(duì)接時(shí)間與距離關(guān)系曲線，其余曲線存在凸起是由于出現(xiàn)障礙物造成的。總體上，對(duì)接時(shí)間基本上與距離成正比，表明該對(duì)接方法具有良好的魯棒性和可行性。

圖9 對(duì)接時(shí)間與距離和角度關(guān)系

為了檢驗(yàn)該對(duì)接方法的實(shí)用性。本實(shí)驗(yàn)選擇大小為40cm*50cm、運(yùn)行速度為20cm/s的輪式服務(wù)機(jī)器人，在面積為18m*18m的庭院環(huán)境中，設(shè)置如圖2所示的障礙物進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)上述仿真結(jié)果，蟻群算法參數(shù)設(shè)置為：m=50，n=60，Q=1，α=1，β=1，ρ=1，RFID定位采用均值法來提高定位準(zhǔn)確性。共進(jìn)行50次試驗(yàn)，成功對(duì)接50次，達(dá)到預(yù)期期望。說明該對(duì)接方法具有高成功率。

4 結(jié)論

本文提出的基于有源RFID遠(yuǎn)距離定位導(dǎo)航、電磁傳感器和九軸傳感器信息融合技術(shù)的近距離對(duì)接以及限位開關(guān)反饋對(duì)接狀態(tài)的自主充電對(duì)接控制方法，可適應(yīng)室外多變的惡劣環(huán)境。在室外多變環(huán)境下，可以很好解決庭院服務(wù)機(jī)器人自主充電對(duì)接成功率低、成本高、穩(wěn)定性差等問題。通過仿真運(yùn)行效果驗(yàn)證該自主充電對(duì)接方法的可行性，在多次試驗(yàn)中，成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在室外環(huán)境下自主充電對(duì)接，具有良好的成功率和穩(wěn)定性，仿真和實(shí)際運(yùn)行表明該對(duì)接方法滿足室外庭院服務(wù)機(jī)器人自主充電對(duì)接設(shè)計(jì)需求。