基于 PSD的触须传感器及在移动机器人中的应用

任冠佼 陈伟海 陈 斌 王建华

(北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院,北京 100191)

基于 PSD的触须传感器及在移动机器人中的应用

任冠佼 陈伟海 陈 斌 王建华

(北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院,北京 100191)

针对视觉传感器无法解决的移动机器人的全天候避障问题,设计了一种触觉传感系统.利用位置敏感探测器(PSD,Position Sensitive Detector)作为触须根部的检测元件,设计了一种机械结构,利用一个直接连接在触须根部并侧向出射激光的激光器,解决了触须安装困难以及安装误差对测量精度影响较大的问题;提出了两种全新的检测机器人本体与墙体之间夹角的方法,可实现机器人近墙行走,对两种方法的优劣进行了比较,最后通过实验证明了此两种方法的可行性,并对测量产生的误差进行了分析.

移动机器人;接近觉传感器;避障

人类感知外界信息的主要手段有视觉、听觉、嗅觉、味觉与触觉,目前移动机器人感知外界信息主要是模仿人类视觉原理.但人们对仿生机器人在不确定环境下的工作成效提出了越来越高的要求,如要求机器人能够在能见度低甚至无可见光的条件下进行安全导航、避障以及检测狭小空间等,如此以来,单纯依靠视觉传感器已经无法满足要求,因此,触觉传感器作为视觉传感器的补充应运而生.

国外学者对触觉传感器展开了大量研究.文献[1]设计出一种刚性触须探针,利用根部电位计测量触须末端接触信息,实验证明该传感器能够感知出外凸物体的轮廓信息,但这种电位计测量感知并不灵敏.文献[2]提到的初期的 Sprawlettes机器人和后期的六足机器人可以依靠一只长而粗的触角进行墙的探测,以及近墙疾走,但触须与墙体之间的角度信息只是靠经验数据所得,未给出理论依据.文献[3]实现了物体轮廓信息的测量,但仍采用扫描方式,速度较慢.国内对触觉传感器的研究较晚,文献[4]讨论了类似蜗牛触角的工程触须传感器,可感知障碍物临近,但必须依靠触须伸缩实现,速度较慢.文献[5-7]对触须传感器进行了大量研究,提出了基于位置敏感探测器(PSD,Position Sensitive Detector)的触须传感系统,测量速度与精度有了很大提升,依靠此系统进行了测量物体外形、物体表面纹理信息以及利用触须沿墙行走的研究,但避障实验仍主要依靠经验公式,未能明确给出理论推导.

综上,目前触须的研究主要集中在以下 3个方面:①障碍物外形轮廓检测[8];②物体纹理信息检测;③机器人实现近墙快速行走[9].前两者如需实现一般依靠触须末端安装微型驱动电机,让触须对物体进行扫描,得出信息,速度较慢,而如果实现机器人近墙快速行走只需触须被动感知外界信息即可.本文针对第③点展开研究.

经过研究发现,国内外学者利用移动机器人实现近墙行走时,发现机器人与墙体之间的夹角与触须传感器末端位移量存在一定关系,利用此关系可实现移动机器人的成功避障,但均未搞清楚避障的具体原理.本文就如何利用触觉信息进行避障展开研究,揭示了触须末端移动量与墙体之间夹角存在何种关系,并提出了利用这种关系让机器人实现成功避障的一种全新方法.首先,在详细分析了文献[5-7]触须结构的基础上,利用二维 PSD设计了一种新型的触须结构,能够使测量精度提高,同时误差减小;其次,提出了两种利用触须进行近墙行走的全新方法,可测量机器人本体与墙之间的夹角;最后,针对提出的新方法进行了避障实验,测量机体与墙之间的夹角.实验证明本文提出的方法是可行的,有进一步研究的价值,用其进行避障是可行的.

1 触须传感器设计

1.1 二维 PSD原理

PSD是将光子转化为电子的元件,可用来探测光斑重心在光敏面上的绝对位置,落在 PSD上的入射光转换成电子后由电极探测形成电流.如图 1所示,二维 PSD有 4个探针 X1,X2,Y1,Y2用以输出电流,以及 1个公共引脚 VR用来输入正向电压.光斑重心在光敏面上的位置坐标可以由以下公式得到:式中,D为光敏面边长,由于本文选用的 PSD光敏面是15mm×15mm,因此 D为 15.本文选用的PSD型号为 HY1515,分辨率可达 1μm,响应时间0.8μs,光谱响应范围 380～1100nm,为测量触须末端偏移量提供了很好的精度和灵敏度保证.

图1 二维PSD

1.2 机械结构设计

根据 PSD的原理,在实际应用中,本文需要通过 PSD的输出值得到触须末端的位移量,从而获得机器人碰到障碍物的信息,因此如何安装PSD和触须是个重要的问题.对此,文献[10]提出一种思路:传感器的触须采用了弹性材料制成的细杆(长度 15～20 cm),在长度上由粗到细以提高灵敏度.在接近触须根部的位置(2～3mm),固连一个轻质的遮光片,在遮光片正对光源中心的位置上开了一个直径为 0.8～1.0mm的透光小孔,作为二维 PSD(3cm×3cm)的检测光源.当触须受力移动时,遮光片在触须带动下运动,因此透过遮光片上的小孔照射在 PSD上的光斑产生位移,通过调理电路就能得到光斑在 PSD上的位置,再经过相应的关系式,就能知道末端触须的位移量.

作者仿照这种方案自制了一套触须系统,在安装调试过程中,发现了几个重要问题:①连接遮光片和触须时,实际中很难操作,精度也很低;②如果用弹性元件,加工和连接也是一个很难解决的问题,成本大且精度低,而如果不使用弹性元件,遮光片的移动量就会很小,从而导致 PSD上的光斑移动量也很小,降低了测量精度.针对以上问题,本文提出一种新的结构,如图 2所示.

本文采用激光源直接照射 PSD,当触须移动时会直接带动激光源移动.这种结构省去了遮光板,在加工和装配时都可以做到操作简单且精度高.采用这种结构的另外一个显著优点是:当触须末端受力发生移动时,激光源偏转,由于激光源与PSD之间间隔一定距离,PSD上的光斑偏转量会产生几何放大作用,增大了采集精度,减小了测量误差.

图2 新研制的触须传感器系统

如何根据 PSD上读取的光斑位置得到触须末端的位移量成为本文接下来要完成的工作.

本文把触须处理为悬臂梁,如图 3所示.

图3 触须受力形变分析

当有力 F作用于触须末端点时,忽略梁在轴向的位移,梁末端的形变量(即挠度)为 W,则在激光放置的 x处的挠度 Wx和转角 θx分别为

式中,L为梁的长度;x为激光源和根部之间的距离;E为梁的弹性模量;I为梁的惯性矩[11].但是在实际使用时,并不用得到力 F的大小,只需知道末端位移量 W.因此必须找到梁末端位移和PSD上的光斑移动量之间直接的关系.

又因为:

将式(4)分别带入式(2)、式(3)可以得到:

所以当触须末端如图 3所示运动时,光斑在PSD上的位置 dx满足:

当触须反方向运动时,光斑在 PSD上的位置为

在实际使用中,触须的长度 L相对于激光源的安装位置 x很大,所以 Wx和 θx都很小,故可以近似处理成:

所以

由式(10)可知,当 x和 L取定后,PSD上光斑的位置和末端位移量成线性关系.

2 利用触须传感器实现近墙行走

根据上述传感器系统,本文用其来实现近墙行走功能.当机器人前进时,如果碰到墙体,就能根据传感器反馈回来的触须末端位移量和机体前进量得到机体与墙体之间的夹角,本文采用一维激光测距仪测量机器人本体与墙面之间的距离,两次测得的距离相减就是机体前进量.如图 4所示,触须碰墙后,弯曲到 B点,传感器检测到的触须末端位移量为 d,机体前进量为 S.

图4 机器人沿墙行走示意图

为得到机器人本体与墙面之间的夹角 θ,本文考虑了两种方法.

方法 1 θ与 d,S的关系满足:

这种检测方法的优点是简单,经过本文多次实验得出数据可知,当角度较小时,比较准确,但是当机体与墙面之间角度增大后,误差较大,当机器人与墙面之间夹角为 75°时,读出的角度大约为 62°,误差约 13°.经过分析,本文认为这是由于在传感器标定的时候,忽略了触须在轴向的变形,所以当触须移动到 B点时,本文最初是把它标定到了 C点,所以 d的实际值是 CD,而不是 AD,即实际算出的是角度 α,所以在实际使用中当 θ较小时,α≈θ,而当 θ较大时就出现了较大的误差.

针对上述缺陷,本文提出 4种改进方案:

1)在标定时,要考虑触须在轴向的移动量,即如图 4所示的情况时,得到的值应该是长度,而不是.本文要读出实际值.

2)在实际测量机体与墙体的角度时,如果能在 S很小时,就得到触须末端位移量 d,这时可以忽略触须在轴向的位移量,即 A点和 B点之间的距离很小,因此算出的角度 α也是和实际角度 θ比较接近,误差很小.

3)加长触须的长度,当触须长度达到一定值时,就可以忽略触须在轴向的位移量,精度也就能得到提高.

4)因为当机体与墙体之间的夹角较小(小于30°)时,测得的角度还是很准确的,所以在机器人实际使用传感器来避障时,可以考虑让机体转两次角,这样也能达到避障的目的.

综合考虑后,本文选择了改进方案 1),提出方法2.

方法 2 在标定时就测量触须移动到的实际值,考虑触须在轴向的移动量,在实际测量机体碰到墙后的末端位移量时,

这里近似认为△BFD为等腰三角形,顶角 β满足:

因此,在机体实际运行过程中,就可以由机体前进量 S和末端位移量 d得到机体与墙体的夹角θ.

3 实验研究

由于本实验不需要机器人自主行走,本文采用一块泡沫塑料模拟机器人本体,将触须传感器系统安装在前端,同时在头部安装红外测距仪.然后,作者在墙边以 15°为间隔画出放射状直线,让机器人沿直线向墙行走,则触须接触墙时必然产生形变,如图 5所示.在 MATLAB中以机器人本体向前给进量 S为横轴,以末端移动量 d为纵轴,画出曲线,如图 6所示.

由图 6可知,d与 S的比值 K=d/S显然与机器人和墙之间的夹角 θ之间有相应关系.本文首先用第 2节中方法 1验证,tanθ=d/S计算出的角度满足表 1.

图5 机器人近墙行走实验

图6 触须末端偏移量与机体前进量之间关系

表 1 方法 1测量出的机体与墙之间的夹角 (°)

由表 1可知,当机体与墙之间的夹角为 30°左右或者更小时,此种方法计算误差较小,还是比较切实可行的,但当夹角为 75°时,误差已经较大.不过此种方法在精度要求不高的情况下也是可行的,例如当机器人与前面有 60°夹角时,机器人认为夹角为 51°,此时转角 51°,继续往前行走,必然再次撞墙,这时与墙的夹角只有 9°,可以精确测量,经过两次转弯就可避开墙而不碰撞.

但为了提高避障的成功率与速度,算法可采用方法 2,实时计算出的理论值与实际值见表 2.

表 2 方法 2测量出的机体与墙之间的夹角 (°)

可见,方法 2测出的机体与墙之间的夹角与实际值已经相当接近.经过分析,作者认为误差的来源主要有以下几个方面:

1)建模的时候是将触须处理为一个悬臂梁,悬臂梁只有在挠度很小的情况下才可按照 1.2节的方法分析,而在实际情况中,触须很可能偏转角度较大,产生非线性.

2)机械安装存在误差,激光源与触须安装若不垂直或者激光源与底座不平行都可能导致激光射在 PSD上的光斑偏移.

3)标定时地面的放射性直线角度是作者手画出来的,精度无法保证.

因此在后续工作中,具体的机械安装方式还需要进一步改进从而提高精度,另外标定方法需要进一步改进,可采用角度或角速度传感器读出机器人精确的偏转角度.

从实验结果可以得出结论,在机器人近墙行走时,只要知道触须末端的移动量和从接触墙开始的那刻机器人又向前行走的距离,就可以计算出机器人机体与墙面之间的夹角.此夹角可为机器人后续的避障提供重要信息.

4 结 论

本文设计了一套触须传感器系统,利用 PSD设计了一种新型的触须结构,在此基础上,本文提出了机器人沿墙行走时,测量机器人本体与墙面之间夹角的两种算法,实验证明两种算法都是可行的,但是方法 2比方法 1有明显优势.即本文已经可以测量机器人本体与墙体之间的夹角,这个数据可以直接发送给上位机产生导航与避障信息,具有重要价值.

今后可在此触须系统的基础上进一步改进机械结构,增加加工精度,为避障提供更可靠的依据.另外如何用这个夹角信息对机器人行走产生控制,也是作者未来的研究方向.

References)

[1]Russell R A.Using tactile whiskers to measure surface contours[C]//Russell R A.IEEE International Conference on Robotics and Automation.Piscataway,NJ:IEEE,1992:1295-1299

[2]Cowan N J,Ma E J,Cutkosky M.A biologically inspired passive antenna for steering control of a running robot[C]//Dario P.International Symposium on Robotics Research.Berlin:Springer-Verlag,2003(15):541-550

[3]Clements T N,Rahn C D.Three-dimensional contact imaging with an actuated whisker[J].IEEE Transactions on Robotics,2006,22(4):844-848

[4]顿向明,王韬,杨汝清.一种新型工程触须研究[J].传感技术学报,2000,3(1):7-12 Dun Xiangming,Wang Tao,Yang Ruqing.A new kind of antenna for contact sensing[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators,2000,3(1):7-12(in Chinese)

[5]谢清华,谷安,王梦珂.基于新型触须传感器的外形检测[J].自动化仪表,2007,28(2):68-70 Xie Qinghua,Gu An,Wang Mengke.Profile detection based on the novel whisker sensor[J].Process Automation Instrumentation,2007,28(2):68-70(in Chinese)

[6]谷安,方志军,杨忠.基于触须传感器的移动机器人纹理识别[J].传感器与微系统,2008,27(10):76-78 Gu An,Fang Zhijun,Yang Zhong.Texture discrimination of mobile robot based on whisker sensor[J].Transducer and Microsystem Technologies,2008,27(10):76-78(in Chinese)

[7]谷安,谢清华.机器人触须传感器工作机理的研究[J].仪器仪表学报,2007,28(4):381-383 Gu An,Xie Qinghua.Research on working principle of robot whisker sensor[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2007,28(4):381-383(in Chinese)

[8]Wijaya JA,RussellR A.Object exploration using whisker sensor[C]//Friedrich W.Proc Australasian Conference on Robotics and Automation.Auckland:ARAA Inc,2002:180-185

[9]Lamperski A G,Loh O Y,Kutscher L.Dynamical wall following for a wheeled robot using a passive tactilesensor[C]//Lamperski A G.IEEE International Conference on Robotics and Automation.Piscataway,NJ:IEEE,2005:3838-3843

[10]谷安,谢清华.机器人触须传感器的设计[J].传感器与微系统,2006,25(6):83-88 Gu An,Xie Qinghua.Design of robot whisker sensor[J].Transducer and Microsystem Technologies,2006,25(6):83-88(in Chinese)

[11]单辉祖.材料力学[M].北京:高等教育出版社,1999:174-177 Shan Huizu.Mechanics of materials[M].Beijing:Higher Education Press,1999:174-177(in Chinese)

(编 辑 :李 晶)

Antenna sensor based on PSD and application m obile robot

Ren Guanjiao Chen Weihai Chen Bin Wang Jianhua

(School of Automation Science and Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

In the environ ment with limited light,robot'sobstacle avoidance could not be realized if the vision sensor was used only.In order to deal with the problem,an antenna sensor system was designed.Position sensitive detector(PSD)was used as the sensing instrument and a laser pointer was attached to the antenna end,from which the laser was shot out to the other side.Following this approach,a new antenna mechanical structure was proposed to make the installation simple and to reduce the assembly error.Two new methods were proposed to detect the angle between the body and the wall.Advantages and disadvantages of the two methods were discussed.The robot could walk along the wall by the two methods and the effectiveness was experimentally demonstrated.What caused the error was analyzed at last.

mobile robots;proximity sensors;obstacle avoidance

TP 242

A

1001-5965(2010)05-0601-05

2009-06-15

国家 863计划资助项目(2008AA 04Z210);国家自然科学基金资助项目(60775059);北京市自然科学基金资助项目(3093021)

任冠佼(1987-),男,河南商丘人,博士生,sqrgj831@sohu.com.