一种自主移动机器人导航与定位性能测试装置及测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于测试与控制领域，涉及运动目标导航与定位性能测试装置和测试方 法，具体的说是一种自主移动机器人导航与定位性能测试装置及测试方法。
【背景技术】
[0002] 在工业制造和物流自动化、民用车辆智能化、军事侦察和作战、自然灾害和安全救 援、极地和外星探险等方面的应用已经充分体现移动机器人的重要价值，提高移动机器人 的自主能力是一项十分紧迫的任务，也是国际机器人技术研究最为前沿的挑战。然而，导航 与定位系统是移动机器人感知外部环境、实现自主运动的核心技术，已经提出惯性导航、视 觉导航、激光雷达导航、卫星导航以及融合多种信息的组合导航方法等等。上述导航方式与 算法表现出不同的优势，如何测试和评估自主移动机器人导航与定位系统的性能，成为推 动或促进自主移动机器人发展的关键技术。目前，尚未检索到自主移动机器人导航与定位 系统性能测试装置与系统的评估方法。因此，研制高精度导航与定位性能测试装置、测试与 评估方法，实现各类自主移动机器人导航与定位性能的测试与评估，对于改进导航与定位 算法，提高自主移动机器人导航与定位性能具有重要的实际意义。
【发明内容】
[0003]针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种自主 移动机器人导航与定位性能测试装置及测试方法。
[0004] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种自主移动机器人导航与定位性 能测试装置，包括：
[0005] 测试基准站，固定于任意空旷的位置，用于向所述测试移动站发送校正信息；
[0006] 测试移动站，固定于被测机器人上，与所述测试基准站无线通讯，用于实时采集、 记录机器人的位置信息；
[0007] 离线数据处理与评估系统，与所述测试移动站通讯，用于根据所述测试移动站采 集的数据信息，实现自主移动机器人导航与定位性能指标的评估。
[0008] 所述测试基准站包括：
[0009] 差分GPS基站，用于实时获取GPS数据信息并通过串口传递给数传发射机，其参数 通过串口进行设置；
[0010] 数传发射机，将实时GPS数据信息作为校正信息发送给测试移动站；
[0011] 电源管理模块，用于实现交流220V电源到+12V直流电源的转换，并提供给所述差 分GPS基站和数传发射机。
[0012] 所述测试移动站包括：
[0013] 数传接收机，用于接收所述测试基准站发送的校正信息，并通过串口传递给GPS接收机；
[0014]GPS接收机，接收所述数传接收机发送的校正信息，融合自身接收的位置信息数 据，得到被测机器人的定位信息；
[0015] 总线嵌入式控制器，与所述GPS接收机串口通讯，
[0016] 显示窗口，为触摸屏，通过图形界面实现外部控制指令的输入和信息显示；
[0017] 电源管理模块，用于实现直流+24V电源到+5V、+12V的转换，分别供给数传接收机 和总线嵌入式控制器、GPS接收机。
[0018] 所述定位性能指标包括定位精度、速度指标、导航效率；
[0019] 所述定位精度包括静态定位误差和动态轨迹误差；
[0020] 所述静态定位误差包括机器人的X轴误差最大值、X轴误差均值、X轴误差标准差、 Y轴误差最大值、Y轴误差均值、Y轴误差标准差；
[0021] 所述动态轨迹误差包括机器人的位置误差最大值、位置误差均值、位置误差标准 差、航向偏差最大值、航向偏差均值、航向偏差标准差；所述速度指标包含速度最大值、速度 均质；所述导航效率指标包含完成任务时间、轨迹总体长度、曲率能量。所述测试移动站与 所述离线数据处理与评估系统采用FTP通讯方式。
[0022] -种自主移动机器人导航与定位性能测试方法，包括以下步骤：
[0023] 被测机器人做直线运动、绕中心自转运动、Z字形状运动、以及IS0-3888-1国际标 准构建的测试航迹运动，对被测机器人进行路径跟踪，得到被测机器人的实际运动轨迹。[0024] 当被测机器人做直线运动时，
[0025] 设严格直线运动起点坐标为（Xl，yi)、终点坐标为（x2，y2)，对于自主移动机器人经 过的轨迹点（Xl， yi)，直线路径轨迹误差为
[0026]
[0027] 当被测机器人做绕中心自转运动时，轨迹误差为实际轨迹点到自转中心的距离与 理想自转运动半径的差值。
[0028] 当被测机器人做Z字形状运动或按IS0-3888-1国际标准构建的测试航迹运动时， 轨迹误差包含直线运动轨迹误差、绕中心自转运动轨迹误差2部分。
[0029] 还包括：计算表示被测机器人行走路径的弯曲程度的曲率能量，具体为：设路径 上任意点（Xyfh))的曲率为k，则
[0030]
[0031] 曲率能量BE为每个点的曲率平方和的均值：
[0032]
[0033] 其中，η表示测试点的数量。
[0034] 本发明具有以下优点及有益效果：
[0035] 1、具有测试精度高、动态性能好等优点，5km直径范围内，自主移动机器人导航与 定位性能测试装置测试精度误差2cm。
[0036] 2、本发明具有良好的人机操作界面，操作过程可视化、简单。
[0037] 3、本发明中导航与定位性能测试装置，以及性能指标测试与评估方法，解决了自 主移动机器人导航与定位性能指标测试问题。
[0038] 4、本发明适合于野外空旷环境下自主移动机器人导航与定位性能的测试。
【附图说明】
[0039] 图1为本发明的系统组成图；
[0040] 图2为本发明的测试基准站组成图。
[0041] 图3为本发明的移动站组成图。
[0042] 图4为本发明的自主移动机器人性能指标。
[0043] 图5为本发明的4种测试航迹。
[0044] 图6本发明实现自主移动机器人性能测试框架。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0046] 图1为自主移动机器人导航与定位性能测试装置系统组成图，包括测试基准站、 由数传接收机、GPS接收机及在线GPS数据采集与处理计算机组成的测试移动站、离线数据 处理与评估系统，测试基准站与测试移动站之间采用无线通讯，测试移动站与离线数据处 理与评估系统采用FTP通讯方式。移动基准站实时接收测试基准站的校正信息，实现被测 自主移动机器人运行轨迹测试。
[0047] 如图2所示，测试基准站中，电源管理模块实现交流220V电源到+12V直流电源的 转化，并提供给数传发射机、差分GPS基站，差分GPS基站实时获取GPS数据信息并通过串 口传递给数传发射机，实现校正信息的发送。可通过串口设置差分GPS基站的参数。
[0048] 如图3所示，测试移动站中，电源管理模块实现直流+24V电源到+5V、+12V的转 化，分别供给数传接收机和PC104总线嵌入式控制器、GPS接收机，数传接收机接收到的校 正数据通过串口传递给GPS接收机，GPS接收机融合自身接收的GPS数据、校正数据获得高 精度的定位信息。
[0049]PC104总线控制计算机与GPS接收机采用串口通讯，实现GPS定位信息的实时采 集，显示窗口具有触摸屏，通过图形界面实现数据的采集、存储、运行状态监视等操作。
[0050] 离线数据处理与评估系统，进行测试数据的融合，获得自主移动机器人导航与定 位性能指标的评价结果。
[0051] 如图4所示，定位性能指标包括定位精度、速度指标、导航效率；