一種自主移動機器人導航與定位性能測試裝置及測試方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于測試與控制領域，涉及運動目標導航與定位性能測試裝置和測試方 法，具體的說是一種自主移動機器人導航與定位性能測試裝置及測試方法。
【背景技術】
[0002] 在工業制造和物流自動化、民用車輛智能化、軍事偵察和作戰、自然災害和安全救 援、極地和外星探險等方面的應用已經充分體現移動機器人的重要價值，提高移動機器人 的自主能力是一項十分緊迫的任務，也是國際機器人技術研究最為前沿的挑戰。然而，導航 與定位系統是移動機器人感知外部環境、實現自主運動的核心技術，已經提出慣性導航、視 覺導航、激光雷達導航、衛星導航以及融合多種信息的組合導航方法等等。上述導航方式與 算法表現出不同的優勢，如何測試和評估自主移動機器人導航與定位系統的性能，成為推 動或促進自主移動機器人發展的關鍵技術。目前，尚未檢索到自主移動機器人導航與定位 系統性能測試裝置與系統的評估方法。因此，研制高精度導航與定位性能測試裝置、測試與 評估方法，實現各類自主移動機器人導航與定位性能的測試與評估，對于改進導航與定位 算法，提高自主移動機器人導航與定位性能具有重要的實際意義。

【發明內容】

[0003]針對現有技術中存在的上述不足之處，本發明要解決的技術問題是提供一種自主 移動機器人導航與定位性能測試裝置及測試方法。
[0004] 本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：一種自主移動機器人導航與定位性 能測試裝置，包括：
[0005] 測試基準站，固定于任意空曠的位置，用于向所述測試移動站發送校正信息；
[0006] 測試移動站，固定于被測機器人上，與所述測試基準站無線通訊，用于實時采集、 記錄機器人的位置信息；
[0007] 離線數據處理與評估系統，與所述測試移動站通訊，用于根據所述測試移動站采 集的數據信息，實現自主移動機器人導航與定位性能指標的評估。
[0008] 所述測試基準站包括：
[0009] 差分GPS基站，用于實時獲取GPS數據信息并通過串口傳遞給數傳發射機，其參數 通過串口進行設置；
[0010] 數傳發射機，將實時GPS數據信息作為校正信息發送給測試移動站；
[0011] 電源管理模塊，用于實現交流220V電源到+12V直流電源的轉換，并提供給所述差 分GPS基站和數傳發射機。
[0012] 所述測試移動站包括：
[0013] 數傳接收機，用于接收所述測試基準站發送的校正信息，并通過串口傳遞給GPS接收機；
[0014]GPS接收機，接收所述數傳接收機發送的校正信息，融合自身接收的位置信息數 據，得到被測機器人的定位信息；
[0015] 總線嵌入式控制器，與所述GPS接收機串口通訊，
[0016] 顯示窗口，為觸摸屏，通過圖形界面實現外部控制指令的輸入和信息顯示；
[0017] 電源管理模塊，用于實現直流+24V電源到+5V、+12V的轉換，分別供給數傳接收機 和總線嵌入式控制器、GPS接收機。
[0018] 所述定位性能指標包括定位精度、速度指標、導航效率；
[0019] 所述定位精度包括靜態定位誤差和動態軌跡誤差；
[0020] 所述靜態定位誤差包括機器人的X軸誤差最大值、X軸誤差均值、X軸誤差標準差、 Y軸誤差最大值、Y軸誤差均值、Y軸誤差標準差；
[0021] 所述動態軌跡誤差包括機器人的位置誤差最大值、位置誤差均值、位置誤差標準 差、航向偏差最大值、航向偏差均值、航向偏差標準差；所述速度指標包含速度最大值、速度 均質；所述導航效率指標包含完成任務時間、軌跡總體長度、曲率能量。所述測試移動站與 所述離線數據處理與評估系統采用FTP通訊方式。
[0022] -種自主移動機器人導航與定位性能測試方法，包括以下步驟：
[0023] 被測機器人做直線運動、繞中心自轉運動、Z字形狀運動、以及IS0-3888-1國際標 準構建的測試航跡運動，對被測機器人進行路徑跟蹤，得到被測機器人的實際運動軌跡。[0024] 當被測機器人做直線運動時，
[0025] 設嚴格直線運動起點坐標為（Xl，yi)、終點坐標為（x2，y2)，對于自主移動機器人經 過的軌跡點（Xl， yi)，直線路徑軌跡誤差為
[0026]
[0027] 當被測機器人做繞中心自轉運動時，軌跡誤差為實際軌跡點到自轉中心的距離與 理想自轉運動半徑的差值。
[0028] 當被測機器人做Z字形狀運動或按IS0-3888-1國際標準構建的測試航跡運動時， 軌跡誤差包含直線運動軌跡誤差、繞中心自轉運動軌跡誤差2部分。
[0029] 還包括：計算表示被測機器人行走路徑的彎曲程度的曲率能量，具體為：設路徑 上任意點（Xyfh))的曲率為k，則
[0030]
[0031] 曲率能量BE為每個點的曲率平方和的均值：
[0032]
[0033] 其中，η表示測試點的數量。
[0034] 本發明具有以下優點及有益效果：
[0035] 1、具有測試精度高、動態性能好等優點，5km直徑范圍內，自主移動機器人導航與 定位性能測試裝置測試精度誤差2cm。
[0036] 2、本發明具有良好的人機操作界面，操作過程可視化、簡單。
[0037] 3、本發明中導航與定位性能測試裝置，以及性能指標測試與評估方法，解決了自 主移動機器人導航與定位性能指標測試問題。
[0038] 4、本發明適合于野外空曠環境下自主移動機器人導航與定位性能的測試。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發明的系統組成圖；
[0040] 圖2為本發明的測試基準站組成圖。
[0041] 圖3為本發明的移動站組成圖。
[0042] 圖4為本發明的自主移動機器人性能指標。
[0043] 圖5為本發明的4種測試航跡。
[0044] 圖6本發明實現自主移動機器人性能測試框架。
【具體實施方式】
[0045] 下面結合附圖及實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0046] 圖1為自主移動機器人導航與定位性能測試裝置系統組成圖，包括測試基準站、 由數傳接收機、GPS接收機及在線GPS數據采集與處理計算機組成的測試移動站、離線數據 處理與評估系統，測試基準站與測試移動站之間采用無線通訊，測試移動站與離線數據處 理與評估系統采用FTP通訊方式。移動基準站實時接收測試基準站的校正信息，實現被測 自主移動機器人運行軌跡測試。
[0047] 如圖2所示，測試基準站中，電源管理模塊實現交流220V電源到+12V直流電源的 轉化，并提供給數傳發射機、差分GPS基站，差分GPS基站實時獲取GPS數據信息并通過串 口傳遞給數傳發射機，實現校正信息的發送。可通過串口設置差分GPS基站的參數。
[0048] 如圖3所示，測試移動站中，電源管理模塊實現直流+24V電源到+5V、+12V的轉 化，分別供給數傳接收機和PC104總線嵌入式控制器、GPS接收機，數傳接收機接收到的校 正數據通過串口傳遞給GPS接收機，GPS接收機融合自身接收的GPS數據、校正數據獲得高 精度的定位信息。
[0049]PC104總線控制計算機與GPS接收機采用串口通訊，實現GPS定位信息的實時采 集，顯示窗口具有觸摸屏，通過圖形界面實現數據的采集、存儲、運行狀態監視等操作。
[0050] 離線數據處理與評估系統，進行測試數據的融合，獲得自主移動機器人導航與定 位性能指標的評價結果。
[0051] 如圖4所示，定位性能指標包括定位精度、速度指標、導航效率；