多传感器信息融合在轮式机器人运动控制中的应用

摘 要

分析建立和实现多传感器信息融合模型的基本过程，依据多传感器信息融合技术来达到补充信息和协同信息的目的，从而达到控制轮式机器人运动的作用。轮式机器人可以在运行轨迹为40-100cm半径范围的圆周上灵活自主的调整轨道半径；当运动到擂台边缘5cm附近的位置机器人会自动检测，然后依据自身姿态来合理调整运行情况，保证系统控制机器人运动。

【关键词】多传感器 信息融合 协同信息 轮式机器人 运动控制

单一传感器会得到十分有限的信息，仅仅只能片面、局部的获得活动环境信息，并且会受到自身品质的影响，因此，具备相对比较差的可靠性。而合理应用多传感器来达到有效增加系统鲁棒性和实时性的作用，但是最重要的就是怎样处理和综合分析复杂的多信息过程，机器人运行的时候需要比较复杂的环境基础，为了能够得到完整数据信息，应该合理应用多传感器融合的技术来控制和检测轮式机器人运动。

1 多传感器信息融合技术基本原理概述

多传感器信息融合（Multi-Sensor Information Fusion）简称MSIF，主要是在多传感器中利用计算机来得到数据和信息，在相应规定中综合分析，从而达到处理信息中需要估计和解决问题的目的。基本应用原理就好似人类大脑处理信息的方式，多空间、多层次的优化组合、信息互补处理多传感器，从而获得一致性的观测环境。在上述分析过程中，合理使用和分配多资源数据，最终达到在多传感器中融合观测的数据信息，组合多方面、多级别的信息形成更多有用信息，不但能够具备协同操作的优势，也能提高整体处理系统的智能水平。

2 多传感器信息融合模型构建

2.1 场地概况

本文分析过程中选择运动环境的时候，主要就是测试和分析中国机器人公开赛比赛场地，是一个正方形240cm×240cm的场地，场地四周高度是50cm，场地高度是15cm，围栏主要就是正方形边长3800cm。从中心到边界的灰度值是邻近线性渐变的，利用灰度传感器来达到让机器人识别中心距离的目的。

2.2 机器人姿态、位置模型构建

为了有效对台面上机器人的自身姿态和位置进行检测，轮式机器人具备灰度传感器和红外接近传感器两种类型。灰度传感器主要设置四个模拟检测量值，都是模拟传感器。设置两个红外接近传感器，以此来对高低电平进行架设，是开关量出传感器。基本长宽都是30cm的轮式机器人，30.kg的车重，左右应用两组四轮驱动，四个灰度传感器主要位于前、后、左、右的边缘部位，在传感器前部两边安置两个红外接近传感器，并且安装时候需要具备倾角，从而达到检测方便的目的。分析机器人姿态和位置模型的时候，确定机器人位置的时候需要依据自身中心和擂台中心距离d，确定机器人姿态的时候合理应用自身中心线、中心点到擂台中心连线夹角θ。姿态示意图如图1，公式如下：

建立机器人姿态模型的时候，首先需要测量台面灰度，建立测量数据擂台中心和灰度传感器距离公式。每隔5cm测量台面径向数据，重复十次，除去最小和最大值以后去平均值。结合前后左右施工和灰度的距离是d1、d2、d3、d4，前后左右灰度公式如下：

前：d1=-0.2274x1+164.51

后：d2=-0.2256x2+162.82

左：d3=-0.2244x3+159.59

右：d4=-0.2328x4+166.96

机器人自身姿态坐标公式如下所示：

d=（d1+d2+d3+d4）/4

=-（0.05685x1+0.0564x2+0.00561x3+0.0592x4）+193.47

y=d2-d1=0.2274x1-0.2256x2-1.69

可以发现依据多个传感器能够获得机器人姿态信息和位置，依据上述建立的自身姿态模型和机器人位置，能够更加方便的控制和分析机器人的实际运动。为了避免机器人掉到台下，需要有机结合红外接近传感器和灰度传感器来共同处理信息，相互补充，提高正确性。

3 控制程序的设计与实验结果分析

3.1 运动控制要求

轮式机器人运行的过程中主要控制目标就是能够在台面上自主运行机器人，及时检测台面边缘和自身的相对位置，此外，也能够及时检测和调整运行方向，避免机器人掉到擂台下面；基本的运动控制包括：一是，实时判断机器人是否存在危险，也就说能够对场地边缘进行检测；二是，在规定圆周上机器人能够依据圆周实时巡逻运动。

3.2 程序设计

设计系统程序的时候硬件核心平台合理应用STM32，并且有机集合外部电路，从而形成控制轮式机器人的系统，依据C语言对系统进行编程。为了保证具备实时性系统，不在合计中加入延时程序，但是可以依据进程程序来保证满足系统延时需要，不但能够满足程序设计需求，也能够保障实时性。

3.3 实验结果分析

在调试系统以后，测试轮式机器人控制系统，主要测试内容是调整运动方向、自动检测边缘位置，自动调整不相同圆周运动。依据实际测试结果可以发现，在40～100cm范围半径中机器人可以灵活调整半径以及自主运行，此外，在接近边缘大约5cm的范围中机器人会自动检测，并且通过自设姿态来及时控制运动，避免出现掉下擂台的现象。

4 结论

总之，本文主要研究了多传感器信息融合在轮式机器人运动控制中的应用，因为具备感知缺陷以及复杂的环境，促使使用单一传感器不能有效完成任务，但是，盲目堆砌传感器，不但不能增加性能，还可能提高整体负担，因此，融合多传感器信息技术非常重要，可以保证稳定控制系统。

参考文献

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作者简介

袁庆（1989-），男，四川省遂宁市人。现为成都信息工程大学研究生在读。主要研究方向为嵌入式与移动计算。

朱毅（1963-），男，现为成都信息工程大学教授、硕士生导师。

作者单位

成都信息工程大学 四川省成都市 610225