用于自治可移动机器人的低成本高性能的传感系统在现实世界中的应用.doc

1、用于自治可移动机器人的低成本高性能的传感系统在现实世界中的应用摘要：自治可移动机器人在商业上的成功要求新技术的发展对于处理现实世界的需求变得低成本和高性能的传感技术以适应不断动态变化的、无组织的社会希望这样的机器人来管理这的例子是未来发展的方向。关键词：智能运动控制，自治移动机器人，感官熔合，服务性的机器人，导航路线编制，超音波学种无人管理的环境。本文介绍了一种基于长期现实生活中试验并显示能满足基本需求的新的传感器系统。在无组织的环境中在一个很宽的范围内测试应用软件描述：在自治移动机器人商业成功发展过程中的一个最大的障碍是低成本高性能传感系统的实用性。在路线计划编制和自治的导航体系结构经常被假

2、定为完美的传感器既不存在，而且真实传感器在非常拘泥的环境中表现得跟特殊的传感器一样适应（例如，构造外表是垂直的简单的或固体的多边形障碍物环境） 。因此这个研究对于被曾经频率不断增长的奇异的和极富创造性的设备计划的现实世界的价值很有限，而这个计划取决于物质成分和对低成本传感器经常创造严重困难的间接方面。曾经一个失败者在一千个试验中去发现这个物体将被认为这个技术商业上在现实世界无组织环境中是无法接受的，接近完美表现的传感器在很高的成本上是可利用的，但这对于现实世界的价值却是有限的。为了达到“人类衡量的性能”这个引人注目的增长的水平线要求可移动机器人必须管理愈加无组织的这种环境，传感器系统必须完成某

3、些基本的需求包括：a) 非常低的成本b) 对于周围嘈杂的环境具有非常高的免疫性c) 非常高的灵敏度d) 对于因为入射角度，物质成分和颜色而信号很弱具有免疫性e) 对于相反议论和路径冲突具有免疫性以我们的评价，照相机显示系统满足所有的要求除了第一个。然而，自从这个最终的研究目标在商业上体现出生存能力后，这个方法就被抛弃了。同样地，激光映像满足所以的但不满足第一个目标，所以也被抛弃了（不管用何种方法注解，照相机显示和激光系统将继续是我们研究的焦点） 。常规的超频率音响技术满足第一个要求但需要重大的发展来满足其他要求。一个新颖的有标准的超声波排列已经发展得可以满足这些要求而且可以安装在有主控制器或备

4、用控制器的可移动机器人上。这个系统是基于一个具有独特的旋转式喷灌器和多个传感器的超声波距离修正排列（图1，2，3，3a ）和深入的并行处理单元（图 4） 。不同于常规的超声波铃声，它不能感觉目标的上方，下方或者同一水平线（例如间接定位） ，这个新系统覆盖了六个不平行面的 210 弧度因此仿效 96 的性能清楚地定位于传感器的所有每隔 0.7 秒的着火点。色度亮度干扰和多通道回声干扰问题一般地和多元素排列有关系已经被把 12 个旋转式喷灌器传感器划分成三个传感器来解决了，而这三个传感器每个利用两个不同的频率，而这些频率位数很窄。每个炉的烘烤顺序是错列的和同步的，以这样一种方法来减少传感器间的色度

5、亮度干扰和三个炉中每个炉里的四个传感器中的每个传感器的物理定位，更深一层地减少可能存在的这样的干扰问题。这个有利条件和这个系统的非常高的灵敏度有联系，这使这个传感器队列去发现实质上无论哪个物体不注意的方向或者结构。多重频率用于吸收某些特殊的材料的频率。传感器数据可以被内含 8 位或是 16 位的双重处理器预先处理，紧紧与并行处理器有关的则通过 RS232 送到主处理器。做为选择的，这个内置并行处理器可以作为主控制器用于完全导航控制和 I/O 等。一个充足的“操作系统”和“有用工具箱”设置也同样得到了发展，它提供非常高水平的导航和感官数据提取，而且同时提供一个充裕的东西来接近低水平的系统参数。几

6、百个这样的操作系统功能、参数和效用被植入这个系统来简单化第三部分应用软件发展和轮流植入应用软件的轻便性。这就允许大学研究者和制造商新的高水平的应用软件的非常高速度的发展。植入并行处理器单元的超声波下级模块由时间/频率多元修正电路，生效的可接受的界面，时间滤波器和超声波驱动电路组成（图 4a） 。这个存储信号控制的传感器被用于生效和接受。连续的存储信号有个 20 豪秒的时间延迟。输入信号被用于发动传感器生效。它会持续 12 豪秒。输出信号使接受电路失效近似 0.8 秒。这允许传感器在接受电路激活前引起振荡。存储信号同样控制频率被用于传感器生效的情况。当输出 0 和输出 1 起作用的时候，49.5

7、khz 被用，然而 57.5khz 被用于当输出 2 或者输出 3 起作用的时候。这种传感器界面电路打开关闭的逻辑水平传感器生效脉冲而且把它们放大到 320 伏水平要求激活这个传感器。现实生活中应用的结果尽管这种传感器系统在大部分移动机器人系统中加以利用，但是它的表现和自治清洁机器人的特殊影响有关，因为那种特殊的应用软件没有这种环境中曾经的经验知识加以利用而且依赖超声波传感器反馈单独的精力和品质，对于导航路径计划在一个未知的、无组织的和经常是非常复杂的现实世界范围内。如果房间里的物理得到改造的话或者得到出乎意料的移动，它被指望来利用实时传感器反馈到有效的和智能的覆盖新的地表而不用麻烦和程序重调

8、的费用。以这种应用，一个专家系统模块包含无显著特点的定义。例如，清洁的意思在全世界的理解。这种定义被综合进世界象征数据里，这些数据包含突出的几何学范围，实时信息也基于过去的数据得到推断，而且反馈到导航模块，这个模块明确地表达导航思想来在给定范围内起到最好的作用。注释到这种自治导航控制系统不依赖历史的或推测过的任何种类的特殊数据范围。这种媒介物开始执行这种应用程序而不用预知这种范围尺寸、复杂性、范围内物体自然几何学。利用这种超声波队列传感器，局部的数据实时聚集起来。数据压缩和过滤被实时执行来把局部数据分解成连续的向量和符号，这样那些局部范围的性质就得到了保留而不用保持最初的笛卡儿分数设置。这种局

9、部数据符号设置被统一到全球的描述符号，那是动力最优化为一个更进一步简化的向量和符号设置，包含不紧紧最初的物体定位数据，而且还有备分导航数据用于通过这个范围的导航路径的制定。当外界环境经过仔细检查后，软件预先处理的数据和和重要的数据就存储在 RAM 中。最新的重要数据被分析来改造和可能的丢弃过去重要数据部分。推论是基于这个数据改编过程而得到的。这个推论在新的重要数据收集基础上进行更深一层的校验和修改。一些样本结构被用于示意性的描述这个真实的基于现实世界无组织的环境中机器人的导航路径计划编制，利用完全实时的超声波传感器反馈。请注意滑动补偿系统已经面世。在这个应用软件中，实时数据的可靠性是至关重要的

10、在以前的拒绝（多路信号、色度亮度干扰等）和物体发现的一致性，而这个物体曾经没有被取决于倾斜表面的超声波振铃所发现，为了达到工业要求的高效率的路径计划。结论我们的研究重点是新观念的实现，而这个观念将导致重要水平的自治的较低系统的代价。那些系统已经在很多平台上测试过和实现过了，而且已经被用于执行实时任务，例如清洁建筑物、大楼监控、货物传递等。同样，实验平台已经被提供给第三部分研究。这个最终的研究目标是达到人类衡量的性能水平对于某些特殊应用而且要维持现实的性价比。实验中用于导管检查用到的激光基础传感器和自动化分析技术摘要：本文介绍一种用于管状物体检查的自动化传感系统的实验结果。这种方法应用于管道表面

11、故障的自动化检查，是以中央电视台基础检查为标准的。这种传感器由和中央电视台摄象机标准有关系的低成本的激光基础处理器构成。图象分析技术和人造神经网络被用于自动定位和使用在摄象机已获得的图象中强行区分在导管故障中分类。在现实条件下从不同种类管道的很宽的范围内的测试将被在这里引导和介绍。被提议的检查方法表现得非常适合中央电视台现有的检查系统，在毫米范围内可以自动地可靠地发现管道的坏点。1绪论标准化管道检查系统是基于例如废弃的管道和排水沟的一个很宽的应用范围的闭路电视摄象机。中央电视台方法包括一个经常装备有移动的、经常用颜色、高质量录象机和一个照明系统的遥控平台。这个摄象机平台用位于地上的视频记录工具

12、通过一个多芯电缆连接到偏远的检查站。一个工程师然后离线评估这个已记录的图象。这是主观的和时间限制的任务就相当的增加了检查成本。此外，仅仅总的异常的人和物对于人眼来说是很明显的，那减少了在早期阶段的探测错误。在那些特殊的环境中另外一个和那些系统有关的缺点是在管道里缺乏可见度和质量和差的图象，那阻碍了对管道条件的评估的完善，而且有时甚至是重点缺点的发现。大量的自动化检查技术把目标定位于处理中央电视台近年来曾被提议的障碍。特殊的照明设备和模型机床被提议用来处理图象质量差的问题。那些系统经常被突出的或者是薄的环状灯光或者是在管道壁上使用旋转式喷灌器装置的连续光点所影响。当这个平台通过这个管道移动时，连

13、续的剖面度量允许创造内部管道壁的表面积。使用三角测量法则，管道表面几何学的改变可以从已获得图象的环状位置的改变来找回。除图象质量问题外，自动控制过程已经被证实为非常重要的论点，而且智能分类缺点的运算已经被研究。利用图象分析模式从数字视频图象中识别和分类管道表面缺陷和人造神经网络最近已经被提议。尽管那些系统克服了自动控制和人们评估中央电视台的不利条件有关，它们任然依赖于未加工的摄象机图象质量。在本文中一个激光模拟器被用于增强管道图象质量。相比于以前的工作，这个新奇的事物这里曾经强烈代替变形环状灯的地位。智能分析和分类技术应用于已经获得的图象来使检查步骤自动运行。这种方法是基于探测图象亮度值的剧烈

14、变化。神经网络被用于鉴定管道有缺陷部分的最初阶段，而且更深层的来把他们分成不同种类的缺陷。输入到 ANN 的是预先处理过的信号，这种信号强调有缺陷和没缺陷的管道截面之间的不同。这种网络是多层处理的，被反馈运算排序，广泛应用于解决分类问题。本文扩充了对创造低成本传感器的研究，独立的管道检查已经出现了。这里使用不同种类的管道来做一个很宽范围内的测试已经出现了。这种被提议的检查方法能很好的满足现有中央电视台的检查系统的补充，提供毫米范围的自动化的检查和分类管道缺陷，它利用低成本系统增加实时性能运算分类。2 传感器描述这种传感器用于这里是基于一个激光源发生器，它发射的光可以照到管道壁上，然后从 CCD

15、 摄象机获得和使用强取结构存储到电脑。这个CCD 摄象机严格的附到灯光系统上，环状扩散体被一个 1 豪瓦，635 纳米波长的激光二极管驱逐。这种光学模式扩散体是由丙烯酸材料制造被用于发射一个预先定义的圆形光模式，照射狭窄的管道截面。图 1 显示了照射路径通过在实验中使用的扩散体的情况。表面的位置在研究后和平台有关能够用纯粹的三角法创建，而不需要外部空间的涉及。方程式 1 和 2 分别显示了照射距离和面积的表示形式。L 是发射环到传感器的距离，A 是照射环的宽度， 和 是图 1 描述的照射角度。要注意到发射角度 在研究后将定义传感器和面积间的距离 L ,然而散射角度 给出了这种方法的决议。这里，

16、一个很宽的扇形角度 将被用于后来大面积的照明和分析使用的相同的图象，很大程度上加速了检查过程。在不连续的区域，照射环的强度变化很明显。那些改变取决于不连续反射光的特性，这种光依靠平滑的表面来离散，但是基本的反射有不同的角度和强度，相比于没有缺陷的管道图象。尽管在图象中使用位置信息，类似的发射方法已经成功用于测量管道偏差或形状的改变，但是强度数据还没有被用于其他研究中。这种附加的信息可以从跟局部不连续有关系的东西中取得，例如洞的裂缝，那可以通过发现发射环的光强度而得到鉴别。3 分析技术的总的看法一种强度提取运算法被用于从图象中计算环强度信息。取代从传感器获得的未加工的数据分析，首先，光环被从图象背景中识别，通过应用一种椭圆形装置来运算到每个输入图象。这减少了值得注目的运算复杂性和大量的数据处理。A 预处理已经获得的发射环摄象机图象是大多数椭圆的案例，尽管最初的发射光是环形。这是由于未对准和管道中心有关系的摄象机造成了发射环歪曲成椭圆形。这里，一种数字上稳定的和快速的运算应用于适合椭圆形数据点，被边缘探测器给出的数据。这种运算法则被用于无创造性的和基于最低限度的代数距离，这个距离是数据点和椭圆间的距离。B 描述函数一旦椭圆被识别，一种从图象中得到的环状强度信息用于计算精度。这种计算法则是基于局部平均计算强度，沿着椭圆的单独部分。