GB/T 40327-2021 轮式移动机器人导引运动性能测试方法

　　ICS 25 . 040 . 30 CCS J 28

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40327—2021

　　轮式移动机器人导引运动性能测试方法Testmethodsofguidedmotionperformanceforwheeledmobilerobot

　　2021-08-20 发布 2022-03-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40327—2021

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　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中国机械工业联合会提出 。

　　本文件由全国 自动化系统与集成标准化技术委员会(SAC/TC159)归口 。

　　本文件起草单位:工业和信息化部电子第五研究所 、广州智能装备研究院有限公司 、广州赛特智能科技有限公司 、芜湖赛宝信息产业技术研究院有限公司 、北京机械工业 自动化研究所有限公司 、重庆邮电大学 、广东省智能制造研究所 、苏州傲特敏机器人技术服务有限公司 。

　　本文件主要起草人:许奕 、赵常均 、白晓帆 、程德斌 、郑建福 、刘佳 、侯卫国 、赖志林 、瞿卫新 、秦修功 、周雪峰 。

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　　轮式移动机器人导引运动性能测试方法

　　1 范围

　　本文件描述了轮式移动机器人下列导引运动性能的测试方法,包括:

　　a) 停位特性:

　　1) 停位准确度 ;

　　2) 停位重复性 ;

　　3) 位姿稳定时间 。

　　b) 轨迹特性:

　　1) 轨迹准确度 ;

　　2) 轨迹重复性 。

　　c) 轨迹速度特性:

　　1) 轨迹速度准确度 ;

　　2) 轨迹速度重复性 ;

　　3) 轨迹速度波动 。

　　d) 障碍物特性:

　　1) 障碍物探测距离 ;

　　2) 障碍物规避时间 。

　　本文件适用于分析和检验采用磁带导引 、光学导引 、激光导航 、惯性导航 、GPS导航 、复合导引等方式的轮式移动机器人的导引运动性能,也可用于轮式移动机器人产品的研发试验 、定型试验或验收试验 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中,注 日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注 日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 18029 . 13—2008 轮椅车 第 13 部分:测试表面摩擦系数的测定

　　GB 50034—2013 建筑照明设计标准

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　3.1

　　轮式移动机器人 wheeled mob,le robot

　　装备有电磁或光学等自动导引装置,由计算机控制,以轮式移动为特征 , 自带动力或动力转换装置 ,并且能够沿规定的导引路径自动行驶的机器人,一般具有安全防护 、移载等多种功能 。

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　　3.2

　　导引 gu,dance

　　轮式移动机器人按规定路径实现自动行驶的控制方法 。

　　3.3

　　目标位姿 command po5e

　　由轮式移动机器人的任务程序给定的位姿 。

　　3.4

　　实到位姿 atta,ned po5e

　　轮式移动机器人响应目标位姿时实际达到的位姿 。

　　3.5

　　集群 clu5ter

　　用于计算准确度和重复性的一组测量点 。

　　3.6

　　集群中心 clu5ter center

　　- - -

　　对于由坐标 ( xj 、yj 、≈ j ) 确定的 n 个 点 的 集 群 , 该 集 群 的 中 心 是 坐 标 为 (x 、y 、≈) 的 点 , 其 中

　　3.7

　　测试坐标系 te5t coord,nate 5y5tem

　　测试时以测量设备为基准所确定的坐标系,用以测量轮式移动机器人的位姿 。

　　3.8

　　轨迹速度 5peed ,n trajectory

　　轮式移动机器人在规定轨迹下行驶的速度 。

　　4 缩略语和符号

　　4 . 1 基本缩略语

　　下列缩略语适用于本文件 。

　　A 准确度(Accuracy)

　　F 波动(Fluctuation)

　　L 长度(Length)

　　P 位姿(pose)

　　R 重复性(Repeatability)

　　T 路径(Trajectory)

　　V 速度(velocity)

　　4 . 2 符号

　　下列符号适用于本文件 。

　　AP 停位准确度

　　AT 轨迹准确度

　　AV 轨迹速度准确度

　　d 实到位姿和 目标位姿间的距离

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　　FV 轨迹速度波动

　　Lr 轮式移动机器人车体长度

　　l 实到位姿和各个实到位姿集群中心间的距离

　　m 沿轨迹测量点数n 测量循环次数

　　RP 停位重复性

　　RT 轨迹重复性

　　RV 轨迹速度重复性t 位姿稳定时间

　　r , y , ≈ 在测试坐标系下沿 r 、y 、≈ 轴的直线坐标

　　θ 被测样品的航向角

　　4 . 3 符号下标定义

　　下列符号下标定义适用于本文件。

　　c 表示轮式移动机器人的姿态特性

　　i 表示第i 点

　　j 表示第j 次测试

　　p 表示位置

　　5 测试要求

　　5 . 1 安装和调试

　　轮式移动机器人应按产品安装要求进行安装和调试。

　　5 . 2 一般要求

　　测试之前应对轮式移动机器人进行各项功能的试操作,确认机器人功能正常且状态稳定后,再进行测试。

　　5 . 3 测试环境条件

　　测试场地应尽量模拟实际应用场景,若无特殊说明,轮式移动机器人一般测试环境条件如下。

　　a) 应选用清洁 、平坦 、干燥的沥青 、水泥或混凝土路面,并满足以下要求:

　　1) 地面摩擦系数为 0 . 75~1 . 0(按照 GB/T 18029 . 13—2008 中的方法测定) ;

　　2) 平面度误差小于 5 mm ;

　　3) 测试场地路面坡度的最大允许值应不大于 0 . 05 ,对机器人需精准定位的停车点应不大于0 . 01 , 其中路面坡度(H/L)的定义为在 100 mm 以上的长度范围内,路面水平高度差与路线长度的最大比值,坡度取值如图 1 所示。

　　图 1 路面坡度

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　　b) 试验前应根据样品要求配套相应设施,比如磁条 、色带 、反光板 、二维码 、基准站等 。

　　c) 环境温度应在 0 ℃ ~40 ℃范围内,风速不大于 3 m/s 。

　　d) 环境相对湿度应在 10%~90% ,无结露 。

　　e) 在有电磁波 、散射波 、超声波 、静电和强反射等环境中,用户及制造商均应在事前共同加以确认是否影响机器人正常运行 。

　　f) 对光学导引 、激光导航及视觉导航类型的轮式移动机器人(包括采用光电式接近开关的轮式移动机器人)应尽量模拟实际使用的光照情况,室内使用的轮式移动机器人的测试环境光照强度应不低于 GB50034—2013 中第 5 章的相关规定 。

　　g) 为使被测样品和测量仪器在试验前处于热稳定状态,需将它们置于试验环境中足够长时间 。

　　若制造商规定的测试环境超出以上环境条件,则需在试验报告中说明 。

　　5 . 4 测量仪器

　　对于停位精度 、轨迹特性 、位姿稳定时间等性能的测量,数据采集设备的测量误差应达到测试精度要求的 1/3 以下,且动态特性(如采样速率)应足够高,以确保获得被测特性的充分描述 。

　　5 . 5 试验轨迹路径

　　对于试验路径,本文件给出了正方形轨迹路径(图 2) 、圆角方形轨迹路径(图 3)和直线轨迹路径(图 4)三种试验轨迹及其相关的测试点,也可根据产品的要求设置专用的试验轨迹 。 不同测试项 目所选用的试验轨迹形状 、尺寸和测试点取决于被测轮式移动机器人类型及规格,且最终选用的试验轨迹路径应在试验报告中注明 。

　　图 2 正方形轨迹路径

　　图 3 圆角方形轨迹路径

　　图 4 直线轨迹路径

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　　5 . 6 其他说明

　　如无特殊说明,所有试验项目都应在本文件规定的试验负载 、试验速度 、循环次数 、试验路径等试验条件下进行,且额定负载以及额定速度条件应在试验报告中注明。 若制造商所采用的试验条件超出本文件的规定范围,则需在试验报告中说明。

　　对于试验负载,如有测量仪器附加于轮式移动机器人上,则应将其视作试验负载的一部分。对于试验速度,轮式移动机器人至少应能在试验轨迹 50%的长度内达到试验条件速度。

　　6 试验方法

　　6 . 1 停位特性

　　6 . 1 . 1 停位准确度

　　6 . 1 . 1 . 1 概述

　　停位准确度(AP)表示轮式移动机器人的 目标位姿和从同一方向接近该目标位姿时的实到位姿平均值之间的偏差。

　　停位准确度分为位置精度和姿态精度,其定义如下 :

　　a) 位置精度(APp ) : 目标位姿的位置与各实到位置集群中心的距离之差 ;

　　b) 姿态精度(APC ) : 目标位姿的航向角与实际航向角之差的平均值。

　　6 . 1 . 1 . 2 试验条件

　　停位准确度试验条件见表 1,测试轨迹选用直线轨迹路径。

　　表 1 停位准确度试验条件

　　6 . 1 . 1 . 3 试验步骤

　　停位准确度试验步骤如下 :

　　a) 机器人从起始点 P0 开始,按照设定的速度及轨迹运行,当机器人停车定位在终止点 P1 时,则完成一个运动测试循环。 每当其运行至点 P1 运动控制轨迹收敛并停止后,使机器人预留 一定的测量停顿时间,以便测试设备对此时的位姿进行测量 ;

　　b) 对以上测试重复循环进行 30 次,在此试验过程中,机器人始终以单一方向接近 P1 点位姿。

　　6 . 1 . 1 . 4 停位准确度计算

　　P1 点位置精度(APp )按公式(1)计算。

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　　APp =槡

　　式中 :

　　xc 、y c 、≈ c — 目标位置的坐标 。

　　P1 点姿态精度(APc )按公式(2)计算 。

　　APc j — θ c …………………………( 2 )

　　式中 :

　　θ c — 目标航向角 ;

　　θ j — 第 j 次实到航向角 。

　　6 . 1 . 2 停位重复性

　　6 . 1 . 2 . 1 概述

　　停位重复性(RP)表示轮式移动机器人多次从同一方向到达同一目标的位姿一致性 。

　　停位重复性由位置重复精度和姿态重复精度来表示,其定义如下 :

　　a) 位置重复精度(RPp ) :按公式(3)~公式(6)计算且以位置集群中心为球心的球半径 RPp之值 ;

　　b) 姿态重复精度(RPc ) :围绕平均值 θ 的角度散布 3Sc ,其中 Sc 为标准偏差 。

　　6 . 1 . 2 . 2 试验条件

　　停位重复性试验条件见表 2,测试轨迹选用直线轨迹路径 。

　　表 2 停位重复性试验条件

　　6 . 1 . 2 . 3 试验步骤

　　停位重复性具体试验步骤同 6 . 1 . 1 . 3 。

　　6 . 1 . 2 . 4 停位重复性计算

　　P1 点的位置重复精度(RPp )按公式(3)~公式(6)计算 。

　　lj =槡

　　lj …………………………( 4 )

　　Sl = 槡 ( 5 )

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　　RPp = l + 3sl …………………………( 6 )

　　P1 点的姿态重复精度(RPC )按公式(7)计算 。

　　RPC = 3sC = 3 槡

　　6 . 1 . 3 位姿稳定时间

　　6 . 1 . 3 . 1 概述

　　位姿稳定时间(t)是从轮式移动机器人进入减速过程到速度降为零且航向角不再变化所经历的时间,是用于衡量机器人停止在目标位姿快慢程度的性能指标,如图 5 所示 。

　　图 5 位姿稳定时间

　　6 . 1 . 3 . 2 试验条件

　　位姿稳定时间试验条件见表 3,测试轨迹选用直线轨迹路径 。

　　表 3 位姿稳定时间试验条件

　　6 . 1 . 3 . 3 试验步骤

　　位姿稳定时间试验步骤如下 :

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　　a) 机器人从起始点 P0 开始,按照设定的速度及轨迹运行,当机器人接近目标位姿 P1 点时,测量仪器对机器人的运动轨迹信息进行高频连续采集直到稳定,完成一个运动测试循环 ;

　　b) 对以上测试重复循环进行 3 次,在此试验过程中,机器人始终以单一方向接近 P1 点位姿 。

　　6 . 1 . 3 . 4 位姿稳定时间计算

　　P1 点的位姿稳定时间(t)按公式(8)和公式(9)计算 。

　　tj =max(tjm —tj1 ) , m =2,3 …………………………( 8 )

　　t tj …………………………( 9 )

　　式中 :

　　tj1 — 机器人进入减速过程的时间点 ;

　　tj2 — 机器人速度降为零的时间点 ;

　　tj3 — 机器人航向角不再变化的时间点 。

　　6 . 2 轨迹特性

　　6 . 2 . 1 轨迹准确度

　　6 . 2 . 1 . 1 概述

　　轨迹准确度(AT)表示轮式移动机器人在同一方向上沿 目标轨迹运行 n 次,其实到轨迹与 目标轨迹的偏差情况 。

　　轨迹准确度由位置轨迹准确度和姿态轨迹准确度来表示,其定义如下 :

　　a) 位置轨迹准确度(ATp ) — 目标轨迹与各实到轨迹之间的偏差 ;

　　b) 姿态轨迹准确度(ATc ) — 目标航向角与实际航向角平均值之间的偏差 。

　　6 . 2 . 1 . 2 试验条件

　　轨迹准确度试验条件见表 4,试验轨迹需根据轮式移动机器人的运动特点来选择使用正方形轨迹路径或圆角方形轨迹路径 。

　　表 4 轨迹准确度试验条件

　　6 . 2 . 1 . 3 试验步骤

　　轨迹准确度试验步骤如下 :

　　a) 机器人从起始点 P 开始,按照设定的速度及轨迹运行,测量仪器对机器人的运动轨迹信息进行采集记录,当机器人再次停车定位在 P 点时,则完成一个运动循环 ;

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　　b) 对以上测试重复循环进行 10 次,在此试验过程中,机器人始终从 P 点开始并沿同一方向运行 。

　　6 . 2 . 1 . 4 轨迹准确度计算

　　位置轨迹准确度(ATp )的计算 : 目标轨迹位置与 n 次测量实际轨迹间的偏差的最大值 。

　　姿态轨迹准确度(ATc )的计算 : 目标轨迹上的 目标位姿与 n 次测量轨迹航向角间的角度的最大值 。

　　6 . 2 . 2 轨迹重复性

　　6 . 2 . 2 . 1 概述

　　轨迹重复性(RT)表示机器人对同一目标轨迹重复 n 次时实到轨迹的一致程度 。

　　轨迹重复性由位置轨迹重复性和姿态轨迹重复性来表示 。

　　a) 位置轨迹重复性(RTp ) — 按公式(10)~公式(16)计算的在正交平面内且以集群中心为球心的球半径的最大值 。

　　b) 姿态轨迹重复性(RTc ) — 在不同计算点处围绕平均值的最大角度散布 。

　　6 . 2 . 2 . 2 试验条件

　　具体试验条件同 6 . 2 . 1 . 2 。

　　6 . 2 . 2 . 3 试验步骤

　　轨迹重复性具体试验步骤同 6 . 2 . 1 . 3 。

　　6 . 2 . 2 . 4 轨迹重复性计算

　　位置轨迹重复性(RTp )按公式(10)~公式(16)计算 。

　　xij …………………………( 10 )

　　yij …………………………( 11 )

　　ij …………………………( 12 )

　　lij =槡

　　lij …………………………( 14 )

　　Sli = 槡 ( 15 )

　　RTp = maxRTpi = max … … … … … … … … … …

　　式中 :

　　i — 1 ,2 , …m ;

　　x ci 、y ci 和 ≈ ci — 在目标轨迹上第 i 个计算点的坐标 ;

　　xij 、yij 和 ≈ ij — 第 j 条实到轨迹与第i 个计算点正交的平面交点的坐标 。

　　姿态轨迹重复性(RTc )按公式(17)和公式(18)计算 。

　　ij …………………………( 17 )

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　　RTc = maX3 槡

　　式中 :

　　i — 1 ,2 , …m ;

　　θ ij — 点(xij 、yij 、≈ ij )处的第 j 次的实际航向角 。

　　6 . 3 轨迹速度特性

　　6 . 3 . 1 一般说明

　　轮式移动机器人轨迹速度的性能特性可分为下述三项指标,它们是 :

　　— 轨迹速度准确度(AV) ;

　　— 轨迹速度重复性(RV) ;

　　— 轨迹速度波动(FV) 。

　　图 6 给出了这些指标的理想化图形 。

　　图 6 轨迹速度特性

　　6 . 3 . 2 轨迹速度准确度

　　6 . 3 . 2 . 1 概述

　　轨迹速度准确度(AV)是表征轮式移动机器人目标速度与沿轨迹进行 n 次重复测量所获得的实到速度平均值的偏差情况 。

　　6 . 3 . 2 . 2 试验条件

　　轨迹速度特性试验条件见表 5,测试轨迹选用直线轨迹路径 。

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　　表 5 轨迹速度特性试验条件

　　6 . 3 . 2 . 3 试验步骤

　　轨迹速度准确度试验步骤如下 :

　　a) 机器人从起始点 P0 开始,按照设定的速度及轨迹运行,测量仪器对机器人的轨迹速度信息进行采集,直到稳定停止在目标位姿 P1 点完成一个运动测试循环 ;

　　b) 对以上测试重复循环进行 10 次,在此试验过程中,机器人始终从 P0 点开始以单一方向接近P1 点位姿 ;

　　c) 测量结果分析应选用试验轨迹中部的稳定速度段,且稳定速度长度 占整条轨迹长度的 50%以上 。

　　6 . 3 . 2 . 4 轨迹速度准确度计算

　　轨迹速度准确度(AV)用 目标速度的百分比表示,按公式(19)~公式(21)计算 。

　　vij …………………………( 19 )

　　j …………………………( 20 )

　　AV

　　式中 :

　　vij — 第 j 次测量第i 点处的实到速度 ;

　　m — 沿轨迹测量点的总个数 。

　　vc — 目标速度 ;

　　6 . 3 . 3 轨迹速度重复性

　　6 . 3 . 3 . 1 概述

　　轨迹速度重复性(RV)是轮式移动机器人多次响应同一目标速度所得实到速度的一致程度 。

　　6 . 3 . 3 . 2 试验条件

　　具体试验条件同 6 . 3 . 2 . 2 。

　　6 . 3 . 3 . 3 试验步骤

　　具体试验步骤同 6 . 3 . 2 . 3 。

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　　6 . 3 . 3 . 4 轨迹速度重复性计算

　　轨迹速度重复性(RV)以目标速度的百分比来表示,按公式(22)和公式(23)计算 。

　　Sv = 槡 ( 22 )

　　RV …………………………( 23 )

　　6 . 3 . 4 轨迹速度波动

　　6 . 3 . 4 . 1 概述

　　轨迹速度波动(FV)是轮式移动机器人在响应目标速度的过程中速度波动的最大变化量 。

　　6 . 3 . 4 . 2 试验条件

　　具体试验条件同 6 . 3 . 2 . 2 。

　　6 . 3 . 4 . 3 试验步骤

　　具体试验步骤同 6 . 3 . 2 . 3 。

　　6 . 3 . 4 . 4 轨迹速度波动计算

　　轨迹速度波动(FV)按公式(24)计算 。

　　FV = max … … … … … … … … … …

　　式中:

　　j — 1 , 2 , … , n 。

　　6 . 4 障碍物特性

　　6 . 4 . 1 障碍物探测距离

　　6 . 4 . 1 . 1 概述

　　障碍物探测是衡量轮式移动机器人对周边不同材质或大小障碍物的距离探测能力的性能指标,用机器人对不同方位的最小探测距离和最大探测距离来表示,如图 7 所示 。

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　　图 7 障碍物探测距离测试

　　6 . 4 . 1 . 2 试验条件

　　该试验应包含六个障碍物测试配置,包括松木板墙 、玻璃墙 、木桌 、钢桌 、大圆柱体 、小圆柱体,具体规格如表 6 所示。

　　表 6 障碍物规格

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　　表 6 障碍物规格 (续)

　　6 . 4 . 1 . 3 试验步骤

　　障碍物探测距离试验步骤如下 :

　　a) 将轮式移动机器人放置在初始固定位置 ;

　　b) 将障碍物置于轮式移动机器人可探测到的最大位置处,测量机器人与障碍物之间的距离 ;

　　c) 将障碍物置于轮式移动机器人可探测到的最小位置处,测量机器人与障碍物之间的距离 ;

　　d) 障碍物逆时针旋转 45。,重复试验步骤 c) ,直到障碍物逆时针旋转再次到达初始位置处 ;

　　e) 整理得出机器人对不同方向角处及不同障碍物的最大探测距离和最小探测距离 。

　　6 . 4 . 2 障碍物规避时间

　　6 . 4 . 2 . 1 概述

　　障碍物规避是衡量轮式移动机器人是否能够通过停止或规避,防止与静态或动态障碍物发生碰撞,且能到达目标位置的性能指标,用机器人从初始位置出发到到达目标位置所用的运行时间来表征 。

　　6 . 4 . 2 . 2 试验条件

　　障碍物规避时间测试场景中包含静态障碍物和动态障碍物,共计四种运动方式,测试场景布置和障碍物布置如图 8 所示,障碍物规避时间试验条件见表 7 。

　　(l)(/)

　　图 8 测试场景布置和障碍物布置方式(俯视图)

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　　表 7 障碍物规避时间试验条件

　　6 . 4 . 2 . 3 试验步骤

　　障碍物规避时间试验步骤如下 。

　　a) 机器人放置在初始位置,根据四种障碍物的运动形式分别放置障碍物在它的初始位置上 。

　　b) 机器人以制造商规定的额定速度和额定负载运动到 目标位置, 障碍物分别以运动方式一 、二 、三 、四向规定的 目标位置进行移动或原地静止 。测试中可以沿着直线路径调整障碍物的初始位置,以保证障碍物在 1 . 6 m/s 的运动速度下能够与机器人同时到达位置 P1 。

　　c) 当机器人到达目标位置时应停止 。

　　d) 若机器人没有到达目标位置或者在运动过程中碰到障碍物,则认为试验失败 。在连续三次试验顺利完成后,认为机器人对该障碍物的某种运动方式试验成功 。运行时间为连续三次成功试验的最大值 。

　　e) 整理得出机器人对不同障碍物以及不同运动方式的运行时间 。

　　7 试验报告

　　机器人测试完成后,应写出完整的试验报告,报告模板相关示例见附录 A,测试项 目 由轮式移动机器人的产品标准规定 。

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　　附 录 A (资料性)

　　试验报告示例

　　轮式移动机器人

　　制 造 商 : 类 型 :

　　型 号 : 系 列 号 : 软件版本 :

　　物理环境

　　场地性质 : 场 地 摩

　　擦 系 数 : 环境温度 :

　　环境湿度 :

　　测量仪器

　　名 称 :

　　类 型 :

　　型 号 : 系 列 号 : 其他说明 :

　　表 A. 1 停位准确度与停位重复性

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　　表 A. 2 位姿稳定时间

　　表 A. 3 轨迹准确度和轨迹重复性

　　表 A. 4 轨迹速度准确度 、重复性和波动

　　表 A. 5 障碍物探测距离

　　表 A. 6 障碍物规避时间

　　GB/T 40327—2021

　　表 A. 6 障碍物规避时间 (续)