基于多传感器数据融合的机器人里程计设计与实现

　　在智能空间[1-2]中，机器人依据指令到达指定地点完成任务，需要一个精确的定位系统作为保证。在机器人定位技术[3]中有两类常用方法: 航距推算法[4]和三角测量法[5]。其中航距推算法是一种直接进行移动机器人定位的方式，它不依赖外部参照，主要靠机器人自身携带的里程计完成到出发点的距离计量，故应用广泛。常用的里程计有光电编码器、加速度计等，但它们存在两个主要问题。一是里程计测量距离的准确程度与车体自身运动情况有关，是一种相对测量结果; 二是受传感器自身精度、环境噪声和人为干扰等因素的影响，单一的里程计结果具有不确定性。本文结合应用场景及实际需求，设计实现了一种基于FPGA 和多光电鼠标的高精度机器人里程计，该里程计可以很好的解决以上两个缺陷。首先利用光电鼠标传感器自身特性[6]，使得里程计工作不依赖于车体自身运动情况，得到绝对测量结果。其次在研究多传感器数据融合算法[7]的基础上，用FPGA 硬件实现，将来自多个光电鼠标里程计的信息进行综合处理[8]，得出比单一里程计更为准确可靠的结论。本文将详细介绍该里程计设计方案及实现。

　　1 光电里程计

　　1. 1 PS /2 光电鼠标传感器

　　PS /2 协议与设备接口是由IBM 公司开发、使用，并最早出现在IBM 技术参考手册里。物理上，PS /2 端口连接器有两种: 一种是5 脚的DIN，另一种是6 脚的mini-DIN。本文设计实现的机器人里程计所选用光电鼠标PS /2 接头是6 脚的mini-DIN 规格，表1 给出了六脚标准的引脚定义，表2 给出了PS /2 协议通讯数据帧格式，图1 为通讯时序图。

　　标准的PS /2 鼠标支持如下的输入信号: X( 左右) 方向的位移大小，Y( 上下) 方向的位移大小，左键状态，中键状态和右键状态。鼠标以一个固定的频率读取这些输入信号，并更新各种计数器和标志位，以反映出位移大小和按键所处状态。表3 给出了鼠标数据包格式。本文应用光电鼠标传感器做机器人里程计，故只用到其数据包中的Byte 2、Byte 3及Byte 1 中相应的状态位。

　　本论文所选用光电鼠标，其分辩率达800 DIP，数据刷新频率为100 Hz。所设计的机器人里程计由传感器支架和六个经改造过的光电鼠标传感器构成，六个光电鼠标数据同时按PS /2 协议与FPAG 通讯，并在FPGA 中进行6 个光电鼠标的数据融合操作，得到融合出的光电鼠标里程计最终结果。

　　1. 2 FPGA 处理单元

　　在本论文设计的光电鼠标里程计中，FPGA 上电初始化光电鼠标，使其进行到默认的Stream 模式，而不对鼠标进行控制和操作，所以在里程计工作过程中，FPGA 只需被动的读取来自光电鼠标的数据包，并把数据包中的X、Y 位移量提取出来便完成数据通讯，也就是说系统中只涉及PS /2 设备到主机的通讯过程。