基于Origin的移動機器人測距傳感器參數標定

紀海賓　師彩云

摘? 要：以移動機器人運動軌跡控制作為研究對象，針對移動機器人紅外傳感器測距要求，提出了一種基于Origin軟件的紅外測距傳感器參數標定方法，通過數據處理得到該紅外測距傳感器的有效測距范圍及其轉換公式，實驗結果顯示該方法能夠較好地對移動機器人紅外測距傳感器進行標定，同時具有快速便捷的優點，為移動機器人測距提供了可靠的數據參考。

關鍵詞：移動機器人;紅外測距傳感器;擬合;Origin;參數標定

中圖分類號：TP249;O344 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）09-0040-04

Parameter Calibration of Ranging Sensor of Mobile Robot Based on Origin

JI Haibin1，SHI Caiyun2

（1.School of Mechatronic Engineering，Xuzhou College of Industrial Technology，Xuzhou? 221140，China;

2.School of Biological Equipment，Xuzhou Vocational College of Bioengineering，Xuzhou? 221006，China）

Abstract：This paper takes the motion trajectory control of mobile robot as the research object. A method for calibrating infrared ranging sensor parameters based on Origin software is proposed for mobile robot infrared sensor ranging requirements. Through data processing，the effective range of the infrared ranging sensor and its conversion formula are obtained. Experimental results show that this method can calibrate the infrared ranging sensor of mobile robot well，and it has the advantages of fast and convenient，which provides reliable data reference for the ranging of mobile robot.

Keywords：mobile robot;infrared ranging sensor;fitting;Origin;parameter calibration

0? 引? 言

移動機器人是機器人的重要研究領域，其能夠實現自動避障，進行自主導航，是集環境感知、動態決策和導航于一體的多功能綜合系統[1]，在國防、工農業生產、搶險、服務等領域中都具備著人類所無法比擬的巨大優勢[2]。

避障是指移動機器人根據采集的障礙物的狀態信息，在行走過程中通過傳感器感知到妨礙其通行的靜態和動態物體時，按照一定的方法進行有效的避障，最后到達目標點。因此，自主移動機器人的運動軌跡控制至關重要，也是一個非常實際的問題[3]。Mahgoub等人針對路徑跟蹤問題，提出了一種以線速度和角速度作為控制輸入的新的控制律[4]，李林琛等人結合PID（比例（proportion）、積分（integral）、微分（derivative））控制的自適應能力和遺傳算法優化能力，采用遺傳PID算法實現移動機器人路徑跟蹤[5]。另外，實現避障需要通過傳感器獲取周圍環境信息，因此傳感器技術在移動機器人避障中起著十分重要的作用。避障使用的傳感器主要有超聲傳感器、視覺傳感器、紅外傳感器、激光傳感器等。王雪彥利用多種傳感器感知環境數據，與ANFIS（自適應神經模糊推理系統）避障算法相結合，提出了一種基于環境類型感知的新型機器人避障算法，達到基于環境類型的避障行走目的[6];衛恒等人提出了基于超寬帶測距的異構移動機器人軌跡跟蹤控制，根據運動學特點，設計了多種軌跡跟蹤控制算法，并在MATLAB和Gazebo仿真軟件中分別進行了驗證[7];王志遠等人提出了基于雙目視覺的移動機器人測距與定位系統的設計方案，提高了系統環境適應性[8]。綜上所述，大多數學者僅限于利用不同的傳感器研究移動機器人運動軌跡算法來提高運動軌跡的精確性，但針對移動機器人紅外感知測距要求和對紅外測距傳感器在使用前進行參數標定的研究比較匱乏。本文基于徐州工業職業技術學院院級科學技術資助項目，針對移動機器人紅外傳感器測距要求，對測距傳感器標定方法進行了研究，提出了基于Origin軟件擬合的紅外傳感器參數標定方法，并借助擬合生成的轉換公式實現了數據采集及轉換。

1? 實驗環境簡介

本文使用QBot作為實驗載體，如圖1所示，它作為一款成熟的移動機器人開發研究平臺，不僅有完善的硬件支持，同時也提供了良好的軟件接口支持，配套了一系列的Simulink模塊，這些模塊封裝了QBot底層驅動、軟硬件初始化等功能，用戶可以很方便地借助這些模塊搭建仿真模型，降低了開發難度，提高了研究效率。QBot共搭載了四種用于感受外部環境的傳感器：五個紅外測距傳感器、三個超聲波測距傳感器、一個攝像頭以及三個碰撞傳感器，本文主要將它的紅外測距傳感器作為研究對象。該紅外測距傳感器型號為SHARP 2Y0A02，如圖2所示，它具有紅外線發射和紅外線檢測兩個端口，紅外線經發射端向前方成固定角度和方向發射，當光束遇到障礙物后會部分反射回來，此時紅外線檢測端將捕獲到該反射光束，再利用三角測量原理便可計算出距離。

Origin是OriginLab公司開發的一款集科學繪圖和數據分析于一體的實驗數據分析軟件，它不僅可以支持各種各樣的2D/3D圖形繪制，還支持數據統計、信號處理、曲線擬合及峰值分析等功能。該軟件以其操作簡單、功能強大等特點，在實驗數據處理中的應用越來越廣泛[9]。本文借助該軟件強大的數據處理功能來進行紅外測距傳感器的數據處理、擬合曲線，以便得到電壓距離的轉換公式。

2? 基于Origin的紅外傳感器參數標定

根據SHARP 2Y0A02傳感器的技術文檔可知，該型紅外距離傳感器的輸出曲線是非線性的，且每個傳感器的輸出曲線都不一樣，其典型輸出曲線如圖3所示。因此在實際使用前，需要對該型傳感器進行參數標定，才能得到真實有效的測量數據。

QBot上一共搭載五個SHARP 2Y0A02型紅外測距傳感器，本文以其中一個傳感器為例，介紹參數標定方法。傳感器標定主要借助QBot傳感器采集模塊搭建數據采集平臺，利用其內部的數據采集卡獲取傳感器測量標準距離時返回的電壓值，硬件標定平臺主要是標準距離參照鋼尺和測距障礙物，圖4為傳感器標定時搭建的硬件平臺。

為了保證傳感器返回數據的準確性，實驗采取了重復采樣取平均值的方法。借助傳感器標定平臺，分三次進行電壓采集，根據技術手冊參數說明，該型傳感器有效測距為20 cm到150 cm，因此實驗采樣距離從20 cm開始一直到150 cm，每10 cm采集記錄一次對應傳感器返回的電壓值，連續采集三次，并取平均值。最終采集記錄的三組距離與電壓值如表1所示。

獲得距離與電壓值后，利用Origin軟件對上述數據進行處理和擬合，Origin軟件提供了線性、指數、多項式、自定義函數等多種擬合方式，綜合考慮數據擬合曲線的準確性及轉換公式計算復雜度，本文采用多項式擬合。按照測量數據，依次用二階、三階、四階和五階多項式擬合，具體擬合曲線如圖5所示。

通過擬合曲線對比可以看出，二階和三階多項式擬合的曲線和采樣平均值偏差較大，而四階和五階多項式擬合曲線和采樣平均值相差不大，綜合考慮計算的準確性和復雜度，本文選擇四階多項式擬合公式作為其輸出電壓距離轉換公式，具體公式如下：

其中：y為檢測距離，x為傳感器輸出電壓值。

根據擬合公式，數據采樣與理論值的誤差分布如圖6所示，在該測距傳感器有效測距范圍內，14個數據采樣點電壓基本與理論值基本一致，數值偏差最大為-0.041 2 V，滿足實際使用需求。

3? 結? 論

本文以移動機器人運動軌跡控制作為研究對象，針對移動機器人紅外傳感器測距要求，提出了一種基于Origin軟件擬合的參數標定方法，并借助采集平臺實現數據采集及參數擬合，得出結論如下：

（1）該型紅外傳感器在實際使用中，有效測距范圍為20 cm到150 cm，符合技術手冊使用說明要求。

（2）使用平均值的四階多項式擬合公式，可以滿足實際測量需求。

參考文獻：

[1] 楊露.室內移動機器人路徑跟蹤控制方法研究 [D].柳州：廣西科技大學，2019.

[2] 高志偉，代學武，鄭志達.基于運動控制和頻域分析的移動機器人能耗最優軌跡規劃 [J/OL].自動化學報：1-12（2019-02-19）.https：//doi.org/10.16383/j.aas.c180399.

[3] 林偉，楊晶東.一種有效的非完整移動機器人路徑跟蹤方法 [J].電子科技，2017，30（3）：21-25.

[4] 黃曉娟.輪式機器人軌跡跟蹤和路徑規劃算法研究 [D].南昌：南昌航空大學，2013.

[5] 李林琛，蔣小平.基于PID控制的移動機器人路徑跟蹤 [J].激光雜志，2016，37（2）：110-112.

[6] 王雪彥.機器人遠程控制與避障系統設計與實現 [D].西安：西安電子科技大學，2017.

[7] 衛恒，呂強，王國勝，等.基于超寬帶測距的異構移動機器人軌跡跟蹤控制 [J].北京航空航天大學學報，2018，44（7）：1461-1471.

[8] 王志遠，王茂森.基于雙目視覺的移動機器人測距與定位系統 [J].兵器裝備工程學報，2017，38（11）：173-177.

[9] 章明，衡星，董愛國，等.Origin軟件在靜電場模擬描跡實驗中的應用 [J].實驗技術與管理，2018，35（7）：163-164+168.

作者簡介：紀海賓（1986—），男，漢族，江蘇鹽城人，講師，碩士研究生，研究方向：工業機器人應用。