翻譯：精確標定雙輪差速移動機器人的運動學參數

摘要：

在輪式移動機器人中，使用輪式編碼器的里程計法可以提供基本的位姿估計。可以通過標定運動學參數來降低里程計的系統誤差。UMBmark法就是一種在雙輪差速移動機器人中廣泛使用的方法。本文中提出一種基於擴展傳統UMBmark的精確的運動學參數標定法。本文的主要貢獻包含以下兩點：第一點是提出一種新的能顯著降低里程計系統誤差的標定方法，其中推導出的新方程克服了傳統方程的侷限性。第二點是提出設計了用於標定實驗的測試軌跡。能通過合適的測試軌跡設計顯著改善標定效果。數值模擬和實際實驗結果顯示提出的方法能提升里程計（定位）精度。

1.介紹

在輪式移動機器人中，使用輪式編碼器的里程計法可以提供基本的位姿估計。里程計法的主要缺點是存在累計誤差。文獻[1-3]說明瞭里程計的兩種誤差來源。第一種誤差是確定的系統誤差，包括不相等的車輪直徑、車輪不對齊或者運動學模型誤差。

第二種誤差是隨機性的非系統誤差，主要包括環境條件比如不平整地面或者車輪打滑。因此，非系統誤差用概率來描述，參考文獻[4]。由於位姿估計的不確定性隨著機器人移動而增長，需要使用外部感測器來矯正機器人位姿。Bento[5]和Surrecio[6]提出結合里程計和外部磁感測器數據來降低非系統誤差。

有不少標定方法著力於彌補系統誤差。Tonouchi[7]提出基於融合航跡推演和精確的工作空間模型的貝葉斯推理的位姿估計演算法。Komoriya[8]提出使用光纖陀螺儀的標定方法。Doh[9]提出一種使用路徑里程計信息的計算機方法，該方法中，機器人沿著GVG的路徑行走以便進行標定，[9]中的方法適合所有的輪式結構移動機器人。在[10]，Ivanjko提出了一種簡單的離線標定方法。最終的機器人位姿通過人工標誌測得並且能在線自適應。Abbas[11]提出雙向的圓形路徑（BCPT）。Bostani[12]提出一種簡單測量標定里程計誤差方法。標定方案是基於公稱車輪直徑與平均車輪直徑的差值的尺度誤差Es。目前已有許多適用於各種輪機構的有效標定方案，包括兩輪差動輪、同步輪和汽車式移動機器人等[1,3-14]。本文研究了雙輪差速移動機器人。雙輪機器人受益於簡單的機械結構和控制器。在文獻[1]中可以找到兩輪機器人經典的標定方法。

UMBmark[1]是一種廣泛使用的方法。由於只是在一系列開環運動後測量最終的位置來完成標定，實際應用起來比較容易。本文通過擴展傳統的UMBmark方法提出一種的新的標定方法。

我們的第一目標是在審查傳統UMBmark方法侷限性後尋求一種精確的標定方法。文獻[1]的標定方法是基於假設：車輪半徑誤差和軸距誤差互相獨立。本文在研究輪半徑誤差和軸距誤差耦合效應的基礎上，推導出了新的標定方程。

第二個目標是給出標定實驗測試軌跡的設計指南。從經驗來看，作者意識到通過合理設計測試軌跡，可以顯著改善標定效果。提出的數值模擬顯示合理選擇軌跡尺寸是提高標定精度的關鍵。

本文結構如下：第二部分回顧了文獻[1]的UMBmark，並提出了新的標定方程。第三部分我們考察了所提出的方法的先進性，以及使用數值模擬進行測試軌跡設計的重要性。第四部分是實驗驗證的說明。

2.運動學參數精確標定

2.1文獻[1]UMBmark方法說明

圖1展示了[1]中提出的標定實驗（運動過程）。