·925· 伍明，等：纯方位角目标跟踪及移动平台可观性控制方法 第5期 实验场景为三维立体空间，其范围为：X-25~ 均匀地分布着环境特征点。相关实验参数配置如 25m,Y:-25m-25m,Z:-10m~10m,在空间四周 表1所示。 表1实验参数配置表 Table 1 Parameter configuration 机器人控制标准差 摄像机内参/像素 图像像素尺寸/像素 观测标准差/像素 σ△元=[0.01m0.01m0.01m0.01m 4=320,%=240 u=648 r=[33] rA=[0.02°0.02°0.02°] 5=320,5,=320 v=480 2)实体机器人实验设计 机器人，环境中4个UWB基站作为定位标准点 实体机器人实验采用Turtlebot2型差动驱动 且位置已知。 平台，如图8所示。 实验基于ROS(robot operating system,ROS) 框架，节点及消息关系如图10所示。 UWB室内定 位系统天线、 激光 扫描仪 运算服务器 Turtlebot机器人 天线 环境 SLAM 特征点 机器人 环境特 运算 状态 征检测 节点 节点 机器人 控制量 目标 状态 目标 计算 目标检 观测值 状态 节点 RGB-D 测节点 摄像机 目标跟 机器人 踪节点 运动执 控制量 行节点 差动驱 动底盘 图10ROS框架节点及消息关系实验场景 图8 Turtlebot2实体机器人平台 Fig.10 ROS framework node and message diagram Fig.8 Turtlebot2 physical robot platform 考虑到图像数据量巨大不利于实时传输，以 该平台配备单目摄像头，WFi无线通信系统 及Turtlebot上位机运算能力有限不利于计算等因 以及UWB(ultra wide band,UWB)室内定位系 素，系统将感知与执行，对象状态估计与控制量 统。单目摄像头完成RGB图像获取，无线通信系 生成分别在机器人端和运算服务器端完成。Tur- 统完成机器人端和服务器端的数据传输，UWB定 tlebot机器人端包含感知节点和执行节点分别完 位系统提供机器人和目标的定位真值。实验场景 成环境特征检测、目标检测和平台运动控制任 如图9所示。 务，其中环境特征为S特征点，目标检测利用 Camshift方法实现。运算服务器端包含SLAM运 UWB UWB 基站 UWB 算节点、目标跟踪节点和控制量计算节点分别利 基站 用第3、4、5节介绍方法实现机器人状态估计、目 标状态估计和平台控制量生成任务。另外，由于 目标 UWB 色块 该机器人运动学受非完整性约束限制，采用文献 基站 [26]所介绍的控制方法实现完整性约束到非完整 性约束的转换控制。 6.2仿真实验验证及分析 机器人 6.2.1有效性实验分析 为了验证方法有效性，假设目标运动轨迹为直 图9实验场景 线，初始位置坐标为(15,15,1)，速度恒定为2m/s。 Fig.9 Experimental scene 机器人初始位置坐标为(15，-15,1)。机器人与目 实验环境为室内环境，载有色块的机器人作 标的平衡距离设为D=10m,机器人最大机动速 为目标进行匀速直线运动，后方机器人作为跟踪 度设为vx=2.5ms,仿真共进行了300次迭代，时实验场景为三维立体空间，其范围为：X: −25 m~ 25 m，Y: −25 m~25 m，Z: −10 m~10 m，在空间四周 均匀地分布着环境特征点。相关实验参数配置如 表 1 所示。 表 1 实验参数配置表 Table 1 Parameter configuration 机器人控制标准差 摄像机内参/像素 图像像素尺寸/像素 观测标准差/像素 σ∆x˜ r k = [0.01 m 0.01 m 0.01 m 0.01 m] σ∆e˜ r k = [0.02° 0.02° 0.02° ] u0 = 320，v0 = 240 su = 320，sv = 320 u = 648 v = 480 σr = [3 3] 2）实体机器人实验设计 实体机器人实验采用 Turtlebot2 型差动驱动 平台，如图 8 所示。 UWB 室内定 位系统天线 Wifi 天线 激光 扫描仪 RGB-D 摄像机 差动驱 动底盘 图 8 Turtlebot2 实体机器人平台 Fig. 8 Turtlebot2 physical robot platform 该平台配备单目摄像头，WiFi 无线通信系统 以及 UWB（ultra wide band, UWB）室内定位系 统。单目摄像头完成 RGB 图像获取，无线通信系 统完成机器人端和服务器端的数据传输，UWB 定 位系统提供机器人和目标的定位真值。实验场景 如图 9 所示。 UWB 基站 UWB 基站 UWB 基站 UWB 基站 目标 色块 机器人 图 9 实验场景 Fig. 9 Experimental scene 实验环境为室内环境，载有色块的机器人作 为目标进行匀速直线运动，后方机器人作为跟踪 机器人，环境中 4 个 UWB 基站作为定位标准点 且位置已知。 实验基于 ROS（robot operating system, ROS） 框架，节点及消息关系如图 10 所示。 环境特 征检测 节点 Turtlebot 机器人 环境 特征点 目标 观测值 机器人 控制量 运算服务器 机器人 状态 机器人 状态 SLAM 运算 节点 目标 状态 目标跟 踪节点 控制量 计算 目标检 节点 测节点 运动执 行节点 图 10 ROS 框架节点及消息关系实验场景 Fig. 10 ROS framework node and message diagram 考虑到图像数据量巨大不利于实时传输，以 及 Turtlebot 上位机运算能力有限不利于计算等因 素，系统将感知与执行，对象状态估计与控制量 生成分别在机器人端和运算服务器端完成。Tur￾tlebot 机器人端包含感知节点和执行节点分别完 成环境特征检测、目标检测和平台运动控制任 务，其中环境特征为 Sift 特征点，目标检测利用 Camshift 方法实现。运算服务器端包含 SLAM 运 算节点、目标跟踪节点和控制量计算节点分别利 用第 3、4、5 节介绍方法实现机器人状态估计、目 标状态估计和平台控制量生成任务。另外，由于 该机器人运动学受非完整性约束限制，采用文献 [26] 所介绍的控制方法实现完整性约束到非完整 性约束的转换控制。 6.2 仿真实验验证及分析 6.2.1 有效性实验分析 (15,15,1) (15,−15,1) D eq = 10 m vmax = 2.5 m/s 为了验证方法有效性，假设目标运动轨迹为直 线，初始位置坐标为 ，速度恒定为 2 m/s。 机器人初始位置坐标为 。机器人与目 标的平衡距离设为 ，机器人最大机动速 度设为 ，仿真共进行了 300 次迭代，时 ·925· 伍明，等：纯方位角目标跟踪及移动平台可观性控制方法 第 5 期