基于红外线和超声波的实时定位方法与流程

本发明涉及机器人定位导航技术领域，具体涉及一种基于红外线和超声波的实时定位方法。

背景技术：

近几年来机器人行业发展迅猛，机器人的市场需求也越来越大，同时对机器人的智能化要求也越来越高。越来越多的应用场景需要机器人具有自主充电功能，要实现自主充电必须先确定机器人相对于充电座的实时位置信息，并根据实时位置信息将其导航到充电座。在众多的定位技术里面，小型的基于红外线和超声波的定位技术则由于其体积小、电路简单、价格低等优势，在小范围定位方面得到越来越广泛的应用。尤其在室内超声波定位技术就显得更为方便。

为了实现机器人自主充电，部分企业采用双目视觉定位系统。此方案需要在充电座上安装特殊的像素点，并且在机器人上同一水平位置上安装两台相机，这两台相机同时对这些特殊像素点进行图像采集，然后以这两幅图片为数据源进行相应的算法处理，最终计算出充电座相对机器人的坐标信息，从而实现自主充电功能。

双目视觉系统的缺点是成本高、硬件系统和机械结构都复杂、算法实现难度大需要较高性能的处理器和相对更为专业的算法工程师才能实现，所以此方案在较短时间内很难得到大范围的应用和推广。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于红外线和超声波的实时定位方法，该方法采用超声测距结合红外定时，进行平面三角定位来确定机器人到达充电座的方位及距离，从而引导机器人顺利到达充电座进行自助充电。

一种基于红外线和超声波的实时定位方法，该方法采用的硬件包括两块超声发射板、一块超声发射控制板和一块超声接收板，两块超声发射板和一块超声发射控制板均位于充电座的同一平面上，超声发射控制板位于两块超声发射板的中点位置，所述超声发射控制板上有上下布置的两个红外发射管；所述超声接收板安装在机器人身上，高度与充电座上的超声发射控制板平行；所述超声接收板上设有超声接收头和两个红外接收管；该方法的实现步骤如下：

第一步：令a点和b点分别为两块超声发射板的位置，o点为超声发射控制板的位置，o点为ab两点的中点；以o点为原点建立xy坐标系，x轴的正方向朝向b点，y的正方向朝向机器人的位置c点；

第二步：两个超声发射板同时发出超声信号，超声接收板上的超声接收头接收超声信号；一个红外发射管发射红外调制编码信号建立时基，控制红外信号和超声信号同时发射；另一个红外发射管发送准直红外信号用于计算超声发射板发出信号到超声接收头接收到信号的时长；

第三步：超声接收板根据接红外接收管和超声接收头收到的红外数据和超声数据计算出ac和bc的长度，通过余弦定理计算出∠bac的余弦值，cos∠bac＝(ab*ab+ac*ac-bc*bc)/(2*ab*ac)，计算出c点的x轴坐标为x＝ac*cos∠bac-oa，根据三角函数关系求出sin∠bac，c点y轴坐标为y＝ac*sin∠bac，即可得到机器人的实时坐标；

第四步：机器人控制系统根据计算出的c点坐标信息，得知机器人相对于充电座o点的位置，并根据c点的实时坐标控制机器人走向充电座(o点)，实现自主充电功能。

进一步地，所述超声发射板发射40khz超声信号。

进一步地，所述超声发射控制板上的一个红外发射管发射56khz红外调制编码信号，信号发散角为60度；另一个红外发射管发送准直红外信号的发散角为15度，超声发射板发射的超声波信号发散角为60度。

进一步地，所述超声发射控制板由两条电源线供电，供电电压为6-36v直流电，两个超声发射板通过4p排线连接到发超声射控制板的相应接口。

进一步地，所述超声接收板采用5v直流电源供电，并通过uart接口将接收到的距离数据和机器人相对充电座的坐标信息对外输出。

有益效果：

本发明的实时定位系统成本低、硬件电路和机械结构设计简单、无需复杂的算法程序，对处理器的性能要求不高，能够准确的计算出机器人相对于充电座的实时坐标信息，能够满足机器人实现自主充电任务的功能需求。避免单独使用红外或者超声波时需要建立复杂的通讯机制，简化程序设计，缩短了产品开发周期。

附图说明

图1为超声发射板和超声发射控制板的结构布局示意图；

图2为超声接收板的结构示意图；

图3为本发明的定位原理图。

其中，1-第一超声发射板、2-第二超声发射板、3-超声发射控制板、4-第一红外发射管、5-第二红外发射管、6-超声接收板、7-超声接收头、8-第一红外接收管、9-第二红外接收管。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种该方法采用的硬件包括第一超声发射板1、第二超声发射板2、超声发射控制板3和超声接收板6，第一超声发射板1、第二超声发射板2、超声发射控制板3位于充电座的同一平面上，超声发射控制板3位于第一超声发射板1和第二超声发射板2连线的中点位置，超声发射控制板3上有上下布置的第一红外发射管4和第二红外发射管5，第一红外发射管4和第二红外发射管5的间距为12mm，第一超声发射板1和第二超声发射板2与红外发射管相距191.5mm；超声接收板6安装在机器人身上，超声接收板6的高度与充电座上的超声发射控制板3平行；超声接收板6上设有超声接收头7、第一红外接收管8和第二红外接收管9；该方法的实现步骤如下：

第一步：令a点和b点分别为第一超声发射板1和第二超声发射板2的位置，o点为超声发射控制板3的位置，o点为ab两点的中点；以o点为原点建立xy坐标系，x轴的正方向朝向b点，y的正方向朝向机器人的位置c点；

第二步：第一超声发射板1和第二超声发射板2同时发出超声信号，超声接收板上6的超声接收头7接收超声信号；第一红外发射管4发射红外调制编码信号建立时基，控制红外信号和超声信号同时发射；第二红外发射管5发送准直红外信号用于计算第一超声发射板1和第二超声发射板2发出信号到超声接收头7接收到信号的时长；

第三步：超声接收板6根据接第一红外接收管8和第二红外接收管9以及超声接收头7收到的红外数据和超声数据计算出ac和bc的长度，通过余弦定理计算出∠bac的余弦值，cos∠bac＝(ab*ab+ac*ac-bc*bc)/(2*ab*ac)，计算出c点的x轴坐标为x＝ac*cos∠bac-oa，根据三角函数关系求出sin∠bac，c点y轴坐标为y＝ac*sin∠bac，即可得到机器人的实时坐标；

第四步：机器人控制系统根据计算出的c点坐标信息，得知机器人相对于充电座o点的位置，并根据c点的实时坐标控制机器人走向充电座(o点)，实现自主充电功能。

超声发射板发射40khz超声信号，用于距离测量，第一红外发射管4发射56khz红外调制编码信号，用于建立时基，控制红外和超声同时发射；第二红外发射管5用于发送准直红外信号，用于机器人准确定位。第一红外发射管4发射的红外信号发散角为60度，第二红外发射管5发射的红外信号发散角为15度，第一超声发射板1和第二超声发射板2发射的超声波信号发散角为60度。“超声发射控制板”仅需两条电源线供电，供电电压为6-36v直流电，两个“超声发射板”通过4p排线连接到“发超声射控制板”的相应接口。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。