ATmega16与PC机的移动机器人定位系统研究

引言　　

移动机器人定位系统的可靠性决定机器人工作的可靠度。目前，机器人定位系统的通信多使用串口通信的方式。串口通信速度较慢，通信正确率波动较大，且易受干扰。所以定位系统以CAN总线作为桥梁，使AVR与PC机能快速通信，有机结合，功能互补。AVR单片机ATmega16做底层数据采集有它简单性与廉价性的特点。ATmega16与PC连为一体的系统设计又使系统有较好的兼容性，基于PC平台的机器人其他程序可以较好地融合进来，通用性较好。定位系统所用定位航迹算法是用光纤陀螺仪感应机器人角度变化，被动光电码盘计算机器人坐标位置；超声波传感器在有标记位置消除定位误差，起辅助定位作用。

1　传感器数据传输系统设计　　光纤陀螺仪、被动光电码盘和超声波传感器输出数据由ATmega16的I/O口PA1读入，如图1所示。

图1　基于ATmega16的数据采集节点

数据经ATmega16处理后通过CANL及CANH[12]接口将数据传送给PC节点,如图2所示。

图2　CAN总线与PC机数据接口
2　定位算法
2.1　航迹推算
　　设机器人形体中心当前位置为点p0(x0,y0,θ0),在Δt时间内移动到点p1(x1,y1,θ1);θ1是机器人从x0到x1的角度增量，是陀螺仪在Δt内测量得到的;Δt时间内被动码盘计量的位移为L；机器人转弯半径设为R，O为转弯中心。图3(a)中，机器人走直线，这种情况比较简单。

图3　基于码盘+陀螺仪的定位算法　　

其坐标变换如下[3]：

图3(b)中，机器人走曲线的情况，其航迹推算如下：

2.2　超声波辅助定位算法　　

超声波传感器放置在机器人的前端，如图4所示。CAN总线的数据传输方式使添加超声波传感器数据采集节点方便可行，不需要改变其他数据采集点的程序。

图4　超声波传感器定位
　　根据余弦定理

所以有

其中θ′表示机器人位置相当地标1的角度变化。地标的位置在机器人运行轨迹的两侧。在机器人轨迹有2处定位误差校正点。这些地标位置确定，当机器人靠近地标时，可以用公式(10)求机器人精确坐标。

3　算法实现步骤　　

Step1: ATmega16采集光纤陀螺仪数据，总线传输数据。　　

Step2: 采集被动码盘数据，数据发送至CAN总线。　　

Step3: PC机接收陀螺及码盘数据，根据2.1节算法进行机器人定位运算；是否接受超声波传感器数据，接受超声波数据程序转Step4，不接受超声波校正数据程序转至Step1。　　

Step4: 接受超声波传感器数据，进行定位误差校正；根据第2节算法，修正移动机器人定位误差，程序转Step1。

4　实验结果及分析4.1　数据来源　　机器人实验场地为地板砖地面。实验场地坐标及场地中地标位置如图5所示。在“*”位置进行定位误差校正。

图5　实验场地坐标

4.2　结果分析　　

在上述工作场地用两种不同的定位系统分别作了20次定位实验：定位系统1为单片机与PC间通信采用串口通信方式；定位系统2为本文所设计定位系统结果如表1所列。

表1　两种定位系统定位结果对比

两种定位方法因为实验相同的定位算法，所以定位精度没有太大区别。机器人在使用定位系统2的软、硬件进行定位时20次实验成功率100%；而定位系统1成功率只有90%，有两次机器人飞车。

结语　　

本文详细阐述了基于ATmega16和PC机的移动机器人定位系统的电路与定位算法。基于CAN总线的定位系统工作的机器人能较可靠运行；根据需要可以方便增添传感器节点，而不改动其他节点程序。