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原文地址:乐高机器人定位作者:生命如旅行n选择内部或外部的参考点n寻找航标:绝对定位n测量运动:相对定位
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想知道是否有一种简单的方法来确定机器人的位置和它的运动方向,换句话说,我们想做出一种定位装置能够确定机器人的位置和方向。翻阅了一些书籍,浏览了一些网站,发现要实现这个任务相当困难,到现在还没有任何一种有效的解决办法。
在本章,我们将介绍定位的概念,它相当复杂。定位的方法可以归为两类:绝对和相对定位,绝对定位以外部参考点为基准,相对定位基于内部参考点。我们将举例说明这两种方法,给出一些可行的解决办法。在讨论绝对定位时,还要介绍如何在装有格子或渐变的垫上导航,使用激光梁来定位你的机器人。对于相对定位,我们将会介绍如何为机器人装备合适的测量装置并且使用数学运算将测量值转换为相对应的运动。

我们提到过,没有单一的方法可以决定机器人的位置和方向,但你能组合一些不同的方法得到有用且可靠的结果。所有的方法都可以归为两类:绝对和相对定位方法。它是根据机器人判断周围环境跟踪前进或根据自己的运动路线来分类的。
绝对定位是通过机器人使用外部参考点来判断它的位置,在外界环境中设定标志,或者通过某种模拟视觉能识别的自然标志,或者更常用的,机器人本身能容易识别的模拟标志(诸如拈贴在地板上的彩色带)。另外一种常用的方法是使用无线信号作为航标,飞机和船上在任何天气下判断路线的一种系统。绝对定位需要很多条件:好的环境,或一些特殊的设备,或两者兼有。
相对定位与外界环境无关。它可以从它的前一个位置(已知)推断出现在的位置,然后从已知的位置移向下个位置。使用一种装置监控轮子的转动就可以实现这个方法,而且还要有惯性系统来测量速度与方向的改变,这种方法也称作航位推测法。
相对定位的实现相当简单,也同样适用我们的LEGO机器人。不幸的是,它有一个固有的,无法避免的问题使得本身不可能使用:它会积聚误差,即使你尽量去校准系统,因为打滑,负载或者变形仍就会在测量中产生误差。
这些误差能快速的积累,从而将相对定位的应用归为短距离的测量。想象你用一把短尺测量长距离的桌子:你必须测量好几次,每次要从前一次测量的末点开始测。每一次尺子的放置都会产生小小的误差,最后测量结果往往与真实的长度有差距。
船和飞机上所用的办法就是使用远距离无线导航系统或全球定位系统(GPS),现今应用与汽车工业中更多的是将两者结合使用:利用航位推测法不断的监控汽车运动,有时,某种绝对定位可以消除累积的误差并从前一个位置重新计算。这也是人类所能做到的:当你与你的朋友边谈话边散步时,你并没有寻找参考点,也没有估计自己的位置,相反的,你走路时边走边看你的朋友,然后又看一下道路,以此来得到方位并且确信自己没有偏离线路,然后你再回过来看你的朋友。在房间中你甚至闭上眼睛都能走一段路,因为从你走的最后一步推断出自己的位置。但如果不睁开眼睛或去触摸任何熟悉的物体,你多走几步就会丢失原来的方位。
在本章的余下部分,我们将探索用乐高机器人来实现绝对和相对定位。在应用中是否使用他们中的一个或者两者都使用是由你自己决定的。你会发现这项工作非常具有挑战性。
:绝对定位
放置人工航标最简单的方法是将它们水平放在地板上,在不影响机器人的移动并且在不受环境光线的强烈干扰下能读取光值,还可以在房间中的地板上粘贴一些胶带,或使用一张纸板,其它能让机器人定位的材料。
沿线走的机器人,是我们讨论最多,也是最简单的基于人工航标进行定位的例子,在这个例子中,机器人无法知道它所处的位置,因为它只能判别它是在线的左边还是右边,但这条线的确可以有效的帮助机器人从一处运行到另外一处。你可以自己感觉一下这个实验。比如在直线上做一些断口,看看机器人能否在中断点后继续沿着直线运动。当线中断时,简单的沿线走机器人会转弯并折回到线的另一端。你必须让你程序更灵活的检测突然的变化,而不是使用标准的路线修正程序,开始一个新的搜索算法来驱动机器人朝线的更远处前进。机器人必须向前运行一段距离大约等于断口的长度,然后向左或向右拐一点来找线,恢复标准的定位。
当你做了并对结果感到满意,你就能向更复杂的任务发起挑战。再放一根与第一根线平行的线,同样也有缺口,并观察一下是否可以编程让机器人转弯90度,拦截第二根线并沿着它运动。如果这个动作能成功,你就可以准备定位短段的一个格子,要么沿着线走,要么就像条形码一样穿过它们。
你能提高机器人的导航能力,并减少编程的复杂度,在第4章提过,乐高光感在区分不同颜色之间的差别不是很好,但它能区分反射光强度之间的差别。你可以在白色的垫子上粘贴黑色和灰色的带子,将它们作为机器人的信息源。记住在黑色与白色的交界处返回的值与灰色的值是相同的。