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传感器信息融合在机器人避障中的应用


机器人技术

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《微计算机信息)(嵌入式与SOC)2009年第25卷第9-2期

文章编号:1008--0570(2009)09-2-0162-02

多传感器信息融合在机器人避障中的应用
Application of Multisensor Information Fusion in Collision Avoidance for Robot

(四川理工学嘞宋弘胡莲君
SONG Hong HU Uan-jun

摘要:拳文在移动机器人的避障系统中,充分利用数字信号处理器(DsP)起强的运算能力,以及单片机(MCU)善于控制的特点, 构造了DSP+MCU的双CPU系统.并且利用粗糙集理论进行多传感器信息融合,实现了移动智能机器人在不确定环境中实 时获取外部信息.快速地实现避障。 关键词:多传感器信息融合;粗糙集理论;避障 中图分类号:TP391
Abstract:In this

文献标识码:A
DSP of is excellent operation and designed.The
can

paper,using for the mobile

MCU

of

excellent

control for the dual-CPU
is applied
to

system,the

collision

avoidance system based Key
Oil

robot

multisensor information

fusion

the
to

collision

avoidance system

rough

set

theory.The mobile robot

capture information in real time under uncertain environment

achieve collision avoidance.

words:multisensor information fusion(MSIF);rough set theory;collision avoidance

引言
所谓多传感器信息融合fMultisensor
Information Fusion,

外部接13较少.不能满足数据采集的需要.这就要求对DSP外部 进行接口的扩展。对于一般的数据采集系统,大都采用DSP总 线进行接口扩展方案,但这需要多个接口芯片’彳艮难实现测试系 统的小型化。综合考虑系统的性能、小型化、可靠等因素,本文采 用了DSP+MCU的双CPU设计方案,系统硬件如图1所示。

MSIF)是指将来自某些传感器的输入与来自其他传感器、信息 处理模块、数据库或知识库的信息进行多级别、多方面和多层 次的综合处理。从而得到新的有意义的信息。便于机器人做出正 确的决策。 实时避障和路径选择能力体现了自主移动机器人的智能 水平。人们希望机器人能够在未知环境中自动实现路径规划,以 大大提高其对环境的适应能力。避障是机器人路径规划中的难 点和研究热点。根据机器人对环境信息知道的程度不同.可分为 两种类型:环境信息完全知道的全局路径规划和环境信息完全 未知或部分未知的局部路径规划。对于已知环境下的避碰问题, 已经提出了许多有效的解决方法。如Khatib提出的人工势场 法,结构简单,易于实现,得到了广泛应用。与在已知环境中相比. 机器人在环境完全未知或部分未知情况下实现避障更加困难。 本文充分利用数字信号处理器fDSPl超强的运算能力,以及单片 屯/L(MCU)善于控制的特点.在移动机器人的避障系统中.构造了 DSP+MCU的双CPU系统。同时使用超声波传感器、红外传感 器、视觉传感器等组成多传感器系统.将粗糙集理论引入到多传 感器信息融合中,有效地提高了系统的精度,实现了移动智能机 器人在不确定环境中实时获取外部信息,快速地实现避障。

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图1系统硬件部分框图



DSP选用TMS320C5416.该芯片的时钟频率达到160MHZ. 内部RAM有128K。它作为系统的主处理器,该芯片的计算能力 能够达到系统要求。同时,由于该芯片还含3路MCBSP(多路缓 冲串口),在一定程度上减轻了MCU接口扩展的负担。 MCU选用C805IF02I,该芯片的时钟频率达到25MHZ。它 含有丰富的数字外设,包括4个I/O端口,可同时使用的硬件 SMBUS.5个通用的16位计数器,定时器.SPI和2个增强性 UART串口,专用的看门狗定时器。作为系统的从处理器,该芯片 能够方便地扩展接口,实现多路传感器信号的采集,此外’由于该 芯片内部FLASH达到64K,可以将DSP的程序存储到MCU中. DSP通过HPI口进行程序加载.这样,可以省去DSP外部扩展

1系统硬件结构
本文选用数字信号处理器(DSP)作为核心芯片,由于DSP的 宋弘:副教授硕士硕士生导师 基金项且:基金申请人:宋弘:项目名称:多传感融合技术模 型及应用研究;基金颁发部f-1:四川省教育厅(2006ZD036); 基金申请人:胡莲君;项目名称:智能机器人视觉信息处理 及数据融合方法的研究;基金颁发部门:人工智能四川省重 点实验室(2007R0081 一162—360元/年邮局订阅号:82.946

nASH。

DSP与MCU之问的快速、可靠的数据通信是系统设计成 功的关键。本文利用DSP提供的HPI接口实现了双CPU间数

据通信擞据传输速度可达160 MB/s。此时,DSP中的RAM相当
于一个双口RAM,MCU通过HPI接口对此RAM进行操作.而 DSP则是操作自己的内存。

万方数据

3基于粗糙集理论的多传感器信息融合
3.1粗糙集理论简述 由单一传感器难以保证信息的准确性和可靠性,不足以充 分反应外界环境信息,因此,采用多个传感器可实现环境信息的 充分理解.便于机器人做出正确的决策。粗糙集理论是波兰数学 家Z.Pawlak在20世纪80年代提出的,便于处理含糊和不精确 性问题.他针对边界线区域思想提出了粗集,并把无法确认的个 体都归属于边界线区域.而这种边界线区域被定义为上近似集 和下近似集的差集。粗糙集理论不仅为信息科学和认知科学提 供了新的科学逻辑和研究方法。而且为智能信息处理提供了有 效的处理技术。由于粗集理论具有对不完整数据进行分析、推 理,并发现数据间的内在关系、提取有用特征和简化信息处理的 能力.所以利用粗糙集理论对多传感器信息进行融合是一个值 得探讨的问题。 3.2不完备信息系统的粗糙集方法 在许多情况下。面临的信息系统是不完备的,主要的问题之 一是属性的缺省值.在移动机器人避障中,绝大多数信息系统都 是不完备的. 令R为一等价关系簇,且E R当ind(R)=ind(R一{r}),称r为R 中可省略的,否则.r为R中不可省略的。其中,ind(x)表示不分明 关系。当对于任一r∈R,若R为不可省略的,则簇R为独立的。 当R是独立的。对于属性子集PCR,若存在Q=P—r,Q∈P,使 ind(Q)=ind(P)且Q为最小子集.则称Q称为P的简化,记作red (P),属性集合P可能有多种简化,简化集red(P1的交集成为P的 核,记作core(P)。核与简化的关系为: core(P'I=nred(P)
(1)

度,增强决策能力具有重大意义。 把每次传感器采集的数据看作一个等价类,利用粗糙集理 论的化简、核和相容性等概念,对大量的传感器数据进行分析, 剔除相容信息.求出大量数据中的最小不变核.得到最快融合算 法。具体步骤如下: f11将采集到的样本信息按条件属性和结论属性编制一张 信息表。 f21利用属性化简及核等概念去掉冗余的条件属性及重复 信息,得出简化信息表。 f3)求出核值表。 f41由核值表求出信息表的简化形式:依次取各个条件属性 的核值.若某行无核值.则取核值表中某个条件属性的值.检验该 属性上与其取值相同的对象对应的决策属性值是否相同。若相 同,表明仅由此条件属性可得出结论,提取规则:否则表明仅由此 属性不能推出结论,加上另一条件属性,构成新的条件属性集,直 到各规则检验完毕。从而形成简化决策规则表。 f5)汇总对应的最小规则,得出最快融合算法。 这样我们就可以得到最小简化决策算法.由最小决策算法 能得到一组最小规则集。

4仿真与实验
为了对上述方法进行验证,首先进行了仿真实验。设移动机 器人已知子目标的位置.在MATLAB中搭建了机器人的避障环 境。仿真结果如图3所示。图中黑色物体为障碍物,圆点代表机

器人,黑圆点代表子目标周中曲线为机器人的运动轨迹。开始
阶段,机器人没探测到障碍物,按规定速度沿直线前进。在时刻l 机器人探测到一侧有障碍物,由于没有挡在机器人前行路线上. 因此机器人任按直线前行。到达时刻2,机器人监测到前方障碍 rF转第171页)

s=(u,AT)是信息系统,u是对象的非空有限集合,AT是属性 的非空有限集合,对于每个X∈AT有x:u—v。其中V。称为x的

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360元/一163—

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azhuang,050041,China)FENG
Bo

汽车电子

测量振动信号用于监测较大的振动或移动,达到防盗的作用。由 于振动是物体加速度的快速变化,本文采用此原理进行振动信 号的监测。验。最后确定当加速度连续两次变化超过0.03
m/s2

通讯地址:(050035河北石家庄石家庄学院计算机系)段丽英
(收稿13期:2008.11.22)(修稿日期:2009.02.22)

时,发}n振动警报,这样可以灵敏的监测汽车移动和碰撞等事件, 并且排除r由于其他情况导致的信号波动。.以下给出加速度传 感器处理任务的核心代码如下:
void

吐:揍第163页) 物挡在前进路线上,实行减速转弯避障,由于检测到障碍物另一 侧空间较大.因此机器人实现该方向转弯.避开障碍物后机器人 前行。该图显示了移动智能机器人的局部路径规划的仿真,从中 可以看出机器人能够成功的避开障碍物到达子目标。最后,我们 在智能机器人AS—R进行实验,完全能顺利实现避障。

vADXLTask(void+pvParameters) f(void)pvParameters;
InitTc 1

Capture0;/f初始化TC I.2工作模式

InitTC2Capture0; while(1){ xQueueReceive(ADXLCapDataQ,pcButter,xBlockTitne)

pShkData=AnalysisADXLdataQ;/份析X。Y轴的所得的计
数器捕获数值

AssertX=pdFALsE脓态变量复位
AssertY=pdFALSE;

图3仿真结果

xQueueSend(ShakeDataQ,pShkData,xBlockTime)://',将振动信 号发送到队列中 vTaskDelay(WAIT*TICK_PER_SEC)'J/任务延时 portENTER_CRITICAL0;
startTC ICapture0;//启动定时/_计数器l再次进行测t

5结束语
本文的创新点在于。充分利用数字信号处理器(DSP)超强的 运算能力.以及单片机fMCU)善于控制的特点,在移动机器人的 避障系统中.构造了DSP+MCU的双CPU系统.并将粗糙集理论 引入到多传感器信息融合中.有效地提高了系统的精度.实现了 移动智能机器人在不确定环境中实时获取外部信息进行路径 规划,快速地实现避障。 参考文献 【l】丁伟,孙华,曾建辉.基于多传感器信息融合的移动机器人导 航综J盎IJ].传感器与微系统.2006.25(7):1-3 f21缪燕子,方健,马小平.多传感器信息融合在水环境监测中的应 用【J1.西安科技大学学报.2006,26(2):212—214
『3]Tae—Seok Jin,Jang—Myung Lee,Bing Lam Luk,S.K.Tso.A
study
on

startTC2CaDtureO'J/启动定时肼数器2再次进行测盆
portEXll'-CRITICAL0;}l

4总结
本文创新点:无线传感器网络是一种全新的信息获取和处 理方式,具有广泛的应用前景。本文在分析国内外研究现状和无 线传感器网络功能需求的基础上.提出并实现了利用ARM处 理器采用嵌入式技术设计无线传感器网络汽车防盗系统的总 体方案.并重点开展了节点的软硬件方面的研究.采用嵌入式 ARM处理器.结合GPRS通信模块MC39i.振动传感器实现了一 种高性能无线传感器网络节点的硬件设计,在实际使用,系统灵 敏度高,运行稳定,具有较高的实用价值。 参考文献 【1]文lJ曼平,DSP与PC机的无线交换调制模块设计fJl.微计算机 信息.2008.7—2.293—294. 【21孙利民等.无线传感器网络『M1.北京:清华大学出版社,2005. 【3】任丰源,黄海宁,林闯.无线传感器网络.软件学报【J】,2003,14 (7):1282-1290. 『41摩托罗拉王程学院主编.GPRS网络技术fMl.北京:电子工业出 版社.2005. 『5]RFC 1661.W.Simpson.Point—to—P0int Protoc01.July 『6]Siemens
mobile.MC39i AT Command.2003. 1994

muhsensor fusion for mobile robot navigation in IEEE Conference
on

all

indoor

environment[C】。8th

Mechatrinics

and Ma-

chine Vision in Practice Hong Kong 200 1:455--458

【41原新,朱齐丹,许辉.移动机器人视觉处理方法及实现【J1.哈尔滨

工程大学学报.2003.24(1):414

『51徐敏豪,谭红力,黄新生.基于DSP和FPGA的导航系统的信 息融合研究『J1_微计算机信息.2006,6—2:212—213 【6l杜亚玲,刘建业.基于DSP的航姿系统多传感器信息融合技术 fJl.传感器技术.2005,24(9):85—88 【7】曾黄麟.粗集理论及其应用一一关于数据推理的新方法(修订 版)『M1,重庆:重庆大学出版社,1998

作者简介:宋gL(1973—1,男眉山人,副教授,硕士,硕士生导师,现
主要从事人工智能、机器人等方面的研究;胡莲君(1971一),女,仁 寿人,副教授,硕士,现主要从事信号与信息处理等方面的研究。
Biography:SONG province,associate

作者简介:段丽英(1977一)女,汉族,学士,石家庄学院计算机系讲 师。研究方向:软件工程及计算机网络;冯博(1981一)男,汉族,河 北邯郸人.硕士.石家庄铁路职业技术学院机电工程系。研究方 向:信号及网络控制方向。
Biography:DUAN
ment ware

Hong(1973一),mail,Meishan
SO on.

in

Sichuan

professor,graduate student,study direction:at-

tificial intelligence and robot and depart-

Li—ying(1977-)female,han,computer
university.1ecturer.Research network.

(643000四川自贡四川理工学院自动化与电子信息学院)宋弘 胡莲君
(Automation and Electronic Information Engineering,Sichuan
University of SoNG

of

Shijiazhuang

direction:Soft-

engineering and computer

(050035河北石家庄石家庄学院计算机系1段丽英 (050041河北石家庄石家庄铁路职业技术学院1冯博
(Computer department
Institute of

Science&Engineering,Zigong 643000,China)
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Hong

Lian-jnil

Shijiazhuang
railway

university,Hebei

shiji-

通讯地址:(643000四川省自贡市汇兴路180号四川理工学院 自动化与电子信息学院)宋弘
f收稿日期:2008.11.12)f修稿日期:2009.02.12)

azhuang,050035.China)DUAN Li—ying

(Shijiazhuang

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Technology.Hebei shiji-

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