移動機器人感知技術(2) 鼻子

01-29

移動機器人的鼻子, 第一反應是嗅覺, 是氣體感測器. 我們在這裡，今後在開源的moobot.head.nose 程序包中看到的, 不僅是氣體感測器, 還有巡磁和巡線.

之所以稱巡磁和巡線為鼻子, 就如同獵犬的鼻子一樣, 聞著地上的味道, 找到目標和蹤跡.

---- 原諒我們把機器當成人, 當成寵物, 當成夥伴給大家帶來的誤解.

開始鼻子－－ｎｏｓｅ－－巡磁或巡線的介紹.

為什麼要巡磁或巡線

(A)巡磁和(B)巡線比(C)軌道方式更簡單, 對地面的施工工作量小.

比(D)Slam更可靠, 不怕廣闊無特徵空間, 設備可靠性高. 抗干擾能力強, 設備皮實.

巡磁還是巡線

除非在磁場環境很複雜的地方, 巡磁往往是更好的選擇. 雖然磁條的價格在幾元每米, 遠高於巡線的幾毛錢每米.

巡磁, 是地面粘貼磁條(通常10mm~30mm寬), 車輛上安裝多個磁場強度感測器.

巡線, 是地面貼上與環境背景顏色高對比的線, 車輛上安裝多個光學亮度感測器.

巡線面臨的最大挑戰有兩個,

吸光型的線, 擔心地面臟, 一旦地面髒了, 那麼性能會大幅下降.

反光型(白色)的線, 擔心反光, 一旦地面積水等原因造成的反光, 線會誤報.

所以, 目前巡線往往作為教育機器人, 無傷大雅的學習過程的低成本, 高標識度, 直觀的一種展示. (不要誤解實際的機器人也適合用巡線)

至於基於複雜的機器視覺的巡線技術, 不在本文(鼻子)中討論, 因為用到的技術與機器視覺和無人駕駛更接近, 而本文是對比低成本, 高可靠性, 基於感測模式的近距離位置感知技術.

小結: 教育機器人巡線, 工業和實際應用巡磁.

Slam等LPS位置服務技術

複雜的位置服務技術, 配合合理的濾波, 可以給出相對可信的位置, 然後基於位置對車輛進行控制, 這個思路, 是目前比較常用的.

特別是近一段時間Slam技術的國產化, 和逐漸成熟, 成本大幅下降, API使用越來越友好, 給磁條模式帶來了大量的衝擊. 在此, 特別做些說明.

Slam不適合於以下場合:

１）　需要高可靠性，Ｓｌａｍ是概率分析，如果沒有良好的事前地圖修正，則實際上想做到１００％的可靠性，還是有一定難度．

２）設備和人，對環境的光環境非常敏感．比如太陽能組件，化工，由於ｓｌａｍ的光線發射很散，　這種情況不多，但是要注意．

３）大部分ｓｌａｍ中的旋轉部件，其壽命，可靠性，防爆電機，防水，都給機器應用環境帶來麻煩．　

以上情況，就比較適合使用巡磁技術．

巡磁技術的幾個要點

１）車輛的軸距，輪距，拓撲結構，輪徑，操控的方式，特別是轉彎的機制

２）磁條的寬度，感測器的安裝高度，靈敏度，可靠性．為了讓磁條盡量低成本，所以磁條要能包括兩個感測器之間的距離，且有一定的容量空間．通常用３ｃｍ幅寬的磁條，而感測器之間布局為每１．２ｃｍ或１．６ｃｍ一個感測器，確保每次有且只有２個感測器在磁條上．（１．５＊２

３）感測器的數量和總寬度．

巡磁技術的判斷依據

１）如果沒有一個感測器讀到磁條，則設備進入＂無磁條信息＂狀態，簡單邏輯下，選擇停車．

２）如果有至少一個感測器讀到磁條，則給每個感測器１個權重，

舉例：

權重設計方式為：從左到右Ｎ個巡磁感測器的權重設置為　－１，－３，－５，．．．，－（ｎ－１），＋（ｎ－１），＋（ｎ－３），．．．．＋３，＋１．出現需要裁判的時候，將所有被激活的感測器的權重加和得到Ｗ，根據Ｗ的數值，決定車輛轉彎方向，以及轉彎半徑，基本上轉彎半徑反比於Ｗ數值．
感測器激活為第

以上１）２）整體在邏輯上是完整的．

實際應用過程中，有大量的組合邏輯需要考慮．一個巡磁軟體的好壞主要體現在這些異常情況的處理和配置上．

１）邏輯完整，
２）邏輯清晰
３）兼容線的短暫斷路，可以用短暫短路進行信息編碼，輔助定位和導航．
４）兼容線的各種分支情況，通常做不到任意兼容，要求路口數量少於１２個（兩兩夾角大於３０度，世界上法國凱旋門是這樣的，但只要１０條路）
５）兼容曲線布置下的ＰＩＤ控制，無明顯停頓轉彎，差速控制與曲率一致
６）兼容必要的無路可走，兼容必要的感測器全亮
７）兼容多種路口，丁字路口，Ｌ路口，十字路口，多叉路口
８）支持相對位置估計，根據磁條的信息，進行一種有先驗知識的Ｓｌａｍ技術應用．

巡磁需要考慮的其他內容

１）通常巡磁為了好看，與地毯配合是最優組合．

與地板配合施工難度加大，與瓷磚配合擔心未來磁條受損維護成本更高．

２）地毯厚度的選擇通常選擇２ｍｍ左右的地毯．太厚了的話，可能感應不到，可靠性下降．

太薄了的話，壓出印子影響美觀和使用壽命．

３）可以進行預製的地毯，攜帶型地毯的攜帶和快速部署．

４）考慮鐵粉對磁條的干擾，在鑄鐵等行業減少使用，或增加磁條外部封塑．

５）考慮磁條退磁特性，定期準備充磁的手段和技術．

６）粘磁條的時候，想著將來撕下來會是什麼樣子．

結論：

巡磁是所有地面導航技術中簡單可靠的一種實現方式．是目前大量正式商用和工業應用的主要方式．它如同是移動機器人的鼻子，聞風而動，巡線而行．

在於移動的智能演算法相結合，能給出很多地面的環境信息．