基于pf-ekf的多机器人合作定位方法

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1、万方数据中国科学E辑：信息科学2007年第37卷第12期：1544—1555http：llwww．scichina．com《中国科学》杂志社SCIENCEINCHINAPRESS基于PF-EKF的多机器人合作定位方法王玲8万建伟刘云辉邵金鑫(国防科技大学电子科学与工程学院，长沙410073)摘要研究了多机器人群在未知环境中进行合作定位的方法．机器人利用相对观测信息以及必要的信息交换，完成信息的共享及自身的定位．在初始阶段，机器人都不知道其自身的位置，当具有全局定位能力的机器人获得定位信息后，其他机器人利用粒子滤波(PF)方法融合相对观

2、测量，各自维护着一个代表其位置分布的粒子集合，当粒子集合逐步收敛到接近Gauss分布时，则转而利用扩展Kalman滤波(EKF)方法进行位置的跟踪．仿真结果及实验表明，PF．EKF方法结合粒子滤波器的鲁棒性、适应性与EKF的高效率和实时性，机器人群中各成员可共享全局定位信息，能有效地在未知环境中确定自身的位置．关键词合作定位相对观测量粒子滤波扩展Kalman滤波1引言在当今的科技时代，人们对于用现代科技解决复杂任务的需求日益高涨．虽然随着机器人技术的发展，机器人的能力不断提高，机器人应用的领域和范围也在不断扩展，但是对于一些复杂的任务

3、，多机器人必须协同合作才能完成任务，如协同作战、机器人足球赛、多机作业等，多机器人的协同工作发挥了重要作用．多机器人系统通过各个机器人平台感知的冗余信息，增强系统的自治性和鲁棒性．在多机器人系统中各机器人的位置信息是其自主能力的关键和基本要素，从而多机器人合作定位近年来已成为活跃的研究领域【1qJ．文献【4】利用一个集中式的Kalman滤波器融合机器人群的相对观测信息，同时定位机器人群中的每个成员．Roumeliotis等人【5】将集中式的Kalman滤波器的滤波计算分解到M个aM为机器人的个数)小的可通信的滤波器上，每个滤波器处理来

4、自它的主机器人的传感器信息，当两个机器人检测到对方并测量到相对位置(一般为相对距离和相对方位)时，它们才进行必要的信息通信，然后各自滤波更新相关的位置分量和协方差分量，以达到整个机器人群的位置更新．Fox等人【6】利用概率定位方法，针对已知环境中的定位问题，融合机器人自身运动、环境信息及两个机器人之间的相对观测量来提高机器人的定位精度．Howard等人【J7】提出了用分布式的最大似然估计进收稿日期：2006—11．13；接受日期：2007—02—09部级预研基金及国家自然科学基金(批准号：60675056，60334010)资助项目}

5、联系人，E-mail：wl_anne@sohu．corn万方数据第12期王玲等：基于PF．EKF的多机器人合作定位方法1545行多机器人群的相对定位，当机器人检测到另一个机器人并测量到它的相对位置时，观测者要将测量信息传达给被观测者，共享测量信息，然后它们各自根据自身的运动和所得到的观测来更新它的位置，并周期性地向全组广播它的最新位置．文献【8】提出了一种基于粒子滤波的机器人群的相对定位方法，在该方法中每个机器人都要维护^弘1个粒子滤波器(M为机器人个数)，每个粒子滤波器的样本集表示每个其他机器人相对该机器人的位置，根据不同的观测量更

6、新相应的粒子集合，从而更新对应机器人的位置估计．但是随着机器人个数的增加，每个机器人所要维护的粒子滤波器数量也不断增加，其计算复杂度将以指数级增长，影响了定位的实时性和实用性．Montesano等【91研究了两个机器人基于相对方位和运动的相对定位方法，比较了粒子滤波、扩展Kalman滤波及两种滤波方法相结合的性能．本文关注的问题是在二维未知环境中，对初始位置未知的、具有不同观测能力的机器人群进行绝对定位，其中只有一个机器人具有全局定位能力．每个机器人维护着一个粒子滤波器(代表其自身的全局位置)，分别利用两类相对观测进行滤波更新．在这样

7、的条件下，机器人通过相互观测和运动，使各自的粒子集不断更新和重抽样，逐步收敛到它的实际位置，自主并相互配合地完成自身的定位，也即机器人群共享这唯一的全局定位手段，融合相对观测信息，以确定每个机器人的位置．众所周知，粒子滤波器对于非线性、非Gauss系统具有独特的优势，它可以近似任何概率密度分布，具有较强的鲁棒性和可靠性．由于机器人群不知道初始位置，在初始阶段我们利用粒子滤波器进行机器人位置的估算，当定位收敛到一定精度，接近Gauss分布时，再利用扩展Kalman滤波器跟踪各个机器人的位置，结合两种滤波算法的优势，从而提高定位的鲁棒性和

8、实时性．2基于PF-EKF的定位算法为了界定我们的研究内容，建立系统的定位框架，我们做以下研究假设：·机器人群在2D、无障碍的环境中运动，其中只有一个机器人具有全局定位能力，例如利用GPS或环境路标等手段；·每个机器人都