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移动机器人的超声波传感器发散角标定及应用

更新时间：2019-12-25 13:44:29 大小：2M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：移动机器人超声波传感器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

为了提高移动机器人在作业站点的定位精度,在考虑入射角的基础上,分析了发散角对超声波传感器测距的影响,建立了同时考虑发散角及入射角的超声波传感器测距函数关系表达式;提出了超声波传感器发散角的标定方法,并通过实验对发散角进行了标定;通过对比实验可以看出,所提出的关系表达式提高了超声波传感器距离测量精度。在此基础上提出了利用自动导航车(AGV)单个侧面两个超声波传感器实现移动机器人在作业站点侧向、前向及姿态3个方向的位姿定位方法,最后将该方法用于自主研发的移动机器人的定位试验,验证了该方法的正确性和有效性。


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仪
器
仪
表
学
报
38  
3
期
Vol. 38 No. 3  
Mar． 2017  
第
卷
第
Chinese Journal of Scientific Instrument  
2017  
3
月
年
*
移动机器人的超声波传感器发散角标定及应用  
1
1
1
2
1
， ，  
穆卫谊 张广鹏 黄玉美  
，
闫
，
雯 高  
恒
( 1．  
710048; 2．  
710048)  
西安理工大学艺术与设计学院 西安  
西安理工大学机械与精密仪器学院 西安  
: ， ， ，  
要 为了提高移动机器人在作业站点的定位精度 在考虑入射角的基础上 分析了发散角对超声波传感器测距的影响 建立  
摘
; ，  
了同时考虑发散角及入射角的超声波传感器测距函数关系表达式 提出了超声波传感器发散角的标定方法 并通过实验对发散  
; ， 。  
角进行了标定 通过对比实验可以看出 所提出的关系表达式提高了超声波传感器距离测量精度 在此基础上提出了利用自动  
( AGV)  
、 3 ，  
单个侧面两个超声波传感器实现移动机器人在作业站点侧向 前向及姿态 个方向的位姿定位方法 最后将该  
导航车  
，
方法用于自主研发的移动机器人的定位试验 验证了该方法的正确性和有效性  
。
: ; ; ;  
关键词 移动机器人 超声波传感器 发散角 自动导航车定位  
: TP242． 2 TH701  
: A  
: 460． 50  
国家标准学科分类代码  
中图分类号  
文献标识码  
Calibration and application of ultrasonic sensor beam angle for mobile robots  
1
1
1
2
1
Mu Weiyi ，Zhang Guangpeng ，Huang Yumei ，Yan Wen ，Gao Heng  
( 1． School of Mechanical and Precision Instrument Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，  
China; 2． School of Art and Design，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China)  
Abstract: To improve the positional accuracy of the mobile robot at the worksite，the effect of ultrasonic sensor beam angle is analyzed on  
the basis of considering the incidence angle，and the functional relationship expression of ultrasonic distance measurement is established  
on regarding the ultrasonic sensor beam angle and the incident angle at the same time． Calibration method of the ultrasonic beam angle is  
proposed，and the ultrasonic sensor beam angle is obtained through the calibration experiment． It is clearly that the established functional  
relationship expression of ultrasonic sensor measurement improves the distance measurement precision evidently in the experiment． Based  
on the proposed expression，three positioning ( lateral positioning，front positioning and orientation positioning) methods of the mobile  
robot are adopted by using two ultrasonic sensor installed on these any single side of robot at the worksite． Finally the method is used in  
the positioning experiment on the independently-developed mobile robot，and the correctness and effectiveness of the proposed method are  
verified．  
Keywords: mobile robot; ultrasonic sensor; beam angle; positioning of automated guided vehicle ( AGV)  
、 、 、  
超声波传感器因其不受光线影响 结构简单 成本低 信  
［1-4］  
、
息处理简单 可靠等优点  
， AGV  
在 中得到了广泛的应  
1
引
言
［5-7］  
。
用
［8］  
，
移动机器人 又称为自动导航车  
( automated guided  
Kleeman L  
等人 利用超声波阵列实现机器人的定  
［9］  
vehicle，AGV) ， ，  
是一种柔性化和智能化物流运输设备 在  
;
位及机器人运行环境地图的创建 张凤等人 将超声波  
、 、 、 、 、  
港口 码头 车间 仓库 停车库 图书馆等领域得到广泛  
;
传感器应用于移动机器人的环境建模研究 刘玉芹等  
［10］  
。
应用 目前用于  
AGV  
、 、  
定位 导航 壁障的传感器主要有  
;
将超声波传感器应用于移动机器人的避障研究 帅  
人
［11］  
、 、 、 、 、  
激光 机器视觉 红外 磁条磁带 射频 超声波等传感器  
。
盼等人 将超声波传感器用于汽车倒车避障系统设计  
: 2016-08  
Received Date: 2016-08  
收稿日期  
*
:
基金项目 国家自然科学基金  
( 51375379) 、  
国家  
973  
( 2009CB724406) 、  
项目 陕西省教育厅科学研究计划专项  
( 16JK1517) 、  
陕西省机械制造  
( 14JS062)  
装备重点实验室项目  
资助  
3
:
穆卫谊 等 移动机器人的超声波传感器发散角标定及应用  
561  
第
期
，
研究 但均尚未考虑入射角及发散角对超声波传感器测  
［2］  
;
距的影响 马斌良等人 在考虑了超声波入射角的基础  
上通过代数神经网络方法减小了超声波传感器的测距误  
［12］  
，
差 实现  
AGV  
; Hwang K． H．  
侧向的精确定位 等人 提出  
AGV  
，
定位方法 有效地利  
使用单个发射端两个接收端的  
AGV ; Song K． T．  
的定位  
用了超声波传感器发散角实现  
［13］  
等人 提出了使用两个超声波传感器和一个视觉传感  
AGV  
器通过卡尔曼滤波的方法减小了发散角对  
定位的  
提出通过双超声波传感器重叠区域  
测量方法 有效地减小了发散角对超声波传感器测距精  
［7，14］  
; Kim S  
影响  
等人  
，
［15］  
，
AGV  
; Li T． S．  
等人 采用  
度的影响 实现  
多组双耳式超声波的启发式多功能智能泊车控制策略  
通过多组超声波传感器重叠区域测量策略减小发散角对  
的定位与壁障  
，
1
图
超声波传感器发散角  
Fig． 1 Ultrasonic beam angle  
，
超声波传感器测距精度的影响 实现车辆的准确泊车  
;
［16］  
Kim S  
AGV  
等人 采用在  
的一周布置多个超声波传感  
器 通过同时多个超声波传感器的重叠区域测量策略减  
AGV  
1
根据图 建立同时考虑发散角及入射角的超声波传  
，
:
感器测距函数关系表达式为  
，
、
的定位 导  
小发散角在实际应用中的影响 实现了  
D
=
c
［17］  
、
。ZHONG S  
，
提出使用单个发射端 并排多个  
航 壁障  
接受端的方法实现对物体的定位及识别  
上述文献针对入射角和发散角对于超声波传感器的  
r
f( d，，) = dcos( ) +  
α θ α  
tan( )  
θ
( 1)  
dsin( ) +  
α
[
]
2
。
( 1)  
通过对式  
的分析可以看出超声波传感器的发散  
AB y  
在
，
测距精度都做了研究 但并未提出超声波传感器发散角  
角 α 及入射角 θ 对超声波传感器中心与反射板  
D
， D  
与超声波  
c
，
的标定方法 也没有提出同时考虑入射角与发散角的超  
向的实际距离  
存在一定的函数关系 且  
c
d ，  
传感器直接测距 之间存在一定的差异 即发散角及入  
。
AGV  
声波传感器测距函数关系表达式  
在
的应用中所  
［18］  
。
，
射角对超声波传感器的实际测距精度有一定影响  
有落入发散角范围内的物体都会被检测到  
若不考虑  
入射角及发散角对超声波测值的影响 直接得到的距离  
AGV  
，
，
、
的壁障  
3
值可能与实际距离值有一定差异 且对于  
超声波传感器发散角的标定方法  
［6，19-20］  
、
、
。
测量 定位 导航也会有一定的影响  
本文从提高超声波传感器测距精度目标出发 建  
立同时考虑发散角及入射角的超声波传感器测距函数  
，
为了准确标定超声波传感的发散角 建立如图  
2
所
，
。
2( a)  
d
表示超声波传感器的最小检测距  
s
示模型  
图
中
(
离 盲区  
) ( mm) ，d  
为超声波传感器的最大检测距离  
m
。
关系表达式 根据所提出的超声波传感器发散角标定  
( mm) ，D  
U y  
与标定板之间在 向的实  
t
， ，  
方法 通过实验得到超声波传感器的发散角 并分析了  
为超声波传感器  
c
( mm) ，d ＜ D ＜ d 。  
且满足  
m
。
入射角的计算方法 在同时考虑发散角和入射角的基  
际距离  
s
c
AGV  
、
侧向定位 前向定位及姿态定位的  
础上提出了在  
，
定位方法 最后通过  
AGV  
定位试验验证了所提出的考  
虑发散角和入射角的超声波传感器定位方法的正确性  
。
和有效性  
2
发散角对超声波传感器测距精度影响分析  
， 1  
为了分析超声波传感器的发散角 建立如图 所示  
。
模型 在图  
1
中
，U ，D  
为超声波传感器  
t
为超声波传感  
c
AB  
y
，
向的实际距离 θ 为反射板  
AB  
器中心与反射板  
在
A
绕回转其中心点 的回转角度  
( °) ，  
也称为超声波入射  
， ，r  
角 即超声波传感器的横截面与反射板的夹角 为超声  
2
图
超声波传感器发散角标定  
( mm) ，  
α 为超声波传感器的发散角  
( °) ，  
波传感器的直径  
Fig． 2 Calibration of the ultrasonic beam angle  
d
( mm) 。  
为超声波传感器的直接实际测量距离值  

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