一种机器人定位导航系统及其导航方法
【技术领域】
[0001]本发明设及定位导航技术领域，特别是一种机器人定位导航系统及其导航方法。
【背景技术】
[0002] 移动机器人导航是实现在复杂环境下机器人系统依靠传感器技术和人工智能技 术，从出发点运动到目的点的系统和方法。机器人是一种可W帮助人类完成服务性工作的 半自主或全自主工作的机器人。根据数据资料显示，全球范围内的机器人有着广泛的市场。 近年来，机器人市场发展保持了较快的增长速度。随着劳动力价格日趋上涨，从事保安、看 护、清洁工作的简单劳动力越来越少，但全球人口老龄化的加剧，看护等工作的人员需求却 越来越多。为了弥补运种供需的巨大差异，机器人市场由此产生。
[0003] 路径规划技术是机器人研究领域的一个重要分支，是依据某个或某些优化准则（ 如工作代价最小、行走路线最短、行走时间最短等），在其工作空间中找到一条从起始地点 到目标地点的能避开障碍物的最优路径。
[0004] 室内是人类活动最密集，与人类生活生产最相关的场合。室内定位可视为定位技 术与人联系最紧密的一个组成部分，其存在的重要潜在应用，近年来吸引了大量的研究和 关注。室内由于有大量墙体、屏风等障碍存在，多径效应严重，场强分布不均甚至有盲区存 在。人员的频繁移动、电子设备和口窗的开关等也给信号传输带来大量随机，不可测的干扰 和波动。因此针对复杂室内环境的定位技术一直是研究的难点，也是学术界一直关注的热 点问题。
[0005] 室内定位技术大多采用短距无线定位技术，包含WLAN、RFID、蓝牙、UWB等。但总体 而言它们都存在精度差的问题而不能用于机器人定位。当前采用运些技术的定位系统，最 高标称能达到10cm，该精度基本上也是使用无线定位技术所能达到的极限精度。现有的超 声波定位技术主要存在W下缺陷： (1) 超声波传输过程衰减明显； (2) 超声波受多径效应和非视距传播影响。运些缺点导致现在的运些技术基本只能用 于无人且环境较空的场所。
[0006] 另外，现有的机器人定位导航也存在W下不足： (1) 机器人偏离运动轨迹后就会迷路，不能正常工作； (2) 当机器人在运动过程中遇到障碍物时，不能自动规划绕道行驶。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种定位精度高，可靠性好，灵 活性高的机器人定位导航系统及其导航方法。
[000引本发明的技术方案是： 本发明之一种机器人定位导航系统，包括多个固定位置的信标模块、至少一个机器人 定位终端和电子导航平台； 所述信标模块包括： 第一无线收发模块，用于W无线的方式与机器人定位终端和/或电子导航平台联络， 收发指令和同步信号； 超声波发射模块，用于发出已编址的超声波信号； 第一智能处理模块，用于处理接收的指令和储存超声波编码，处理同步时序安排； 所述机器人定位终端包括： 第二无线收发模块，用于负责与信标模块和电子导航平台联络，收发无线同步信号，W及接收对待接收的超声波信号做出的时序安排； 超声波接收阵列，用于接收来自不同角度的超声波信号； 第二智能处理模块，包括阵列处理模块和中央处理器； 所述阵列处理模块用于将接收的超声波信号放大，根据其信号的强弱自动进行增益 控制，使输出的超声波模拟信号强度保持相对稳定，并将接收到的模拟信号转换成数字信 号； 所述中央处理器用于处理接收到的指令、模块各部分的逻辑关系、做出同步时序安排、 识别编码、储存和分析接收到的超声波数据信息，并将超声波数据会同电子导航平台发送 来的电子地图一起放入计算单元中进行计算处理，得到位置坐标数据； 所述电子导航平台用于存储全部机器人的编码，构建电子地图，规划并计算机器人的 运动目标或路径W及信标模块的位置，使得机器人在允许的运动范围内都能够获得信标模 块的交叉覆盖；并将电子地图W无线方式传给机器人定位终端进行机器人的调度；还用于 协调信标模块和机器人定位终端的同步，接收从各个机器人定位终端上传的位置坐标数据 并显示。
[0009] 进一步，所述超声波接收阵列的上部搭载有障碍物扫描仪；所述障碍物扫描仪包 括同步旋转系统和控制系统； 所述同步旋转系统包括设于超声波接收阵列上的支架，支架上安装伺服电机，伺服电 机通过旋转搭载头连接复合传感器座，复合传感器座上安装有人体感应传感器和超声波收 发传感器，伺服电机的下端连接编码器； 所述控制系统包括电机驱动模块和障碍物扫描主控模块，所述障碍物扫描主控模块的 输出端连接电机驱动模块，障碍物扫描主控模块的输入端分别连接编码器、人体感应传感 器和超声波收发传感器，电机驱动模块的输出端连接伺服电机；所述障碍物扫描主控模块 通过CAN总线分别连接电子导航平台和机器人定位终端。
[0010] 进一步，所述超声波收发传感器通过超声波信号放大器与所述障碍物扫描主控模 块连接，所述超声波信号放大器用于超声波收发传感器接收和发送的超声波信号进行放 大。
[0011] 进一步，所述超声波收发传感器的前端安装有用于收窄超声波接收角度的吸音 管。
[0012] 进一步，所述阵列处理模块包括前置放大模块和A/D转换模块； 所述前置放大模块用于将接收的超声波信号放大，根据其信号的强弱自动进行增益控 审IJ，使输出的超声波模拟信号强度保持相对稳定； 所述A/D转换模块用于将检测时间段内的超声波模拟信号连续转换成数字信号并存 储；通过中央处理器扫描采集到的超声波信号幅度，处理该组超声波数据；根据接收到的 超 声波脉冲群的平均幅值，来计算用于判断的阔值；达到判断阔值的点则认为当前测试 的超声波信号到达起始点，否则认为是噪声信号。
[0013] 进一步，所述电子导航平台包括： 搭载导航软件的计算机，用于存储全部机器人的编码，构建电子地图，根据需要调度机 器人，控制多台机器人同时完成各自的工作； 第=无线收发模块，用于传送电子地图给机器人定位终端，并发送定位同步信号，协调 信标模块和机器人定位终端的时序，接收各个机器人定位终端上传的位置坐标数据W及障 碍物扫描仪上传的通知信息； 显示器，用于显示电子地图上的导航信息； 电子地图运算模块，用于规划并计算机器人的运动目标或路径W及信标模块的位置， 生成导航信息。
[0014] 进一步，所述电子地图包括与机器人运动区域和信标模块覆盖区域分别相对应的 电子平面地图和=维电子地图。
[0015] 进一步，所述超声波收发阵列为具有至少四个超声波感应元的集成阵列，或由至 少四个独立的超声波传感器分散而成的阵列；所述前置放大模块和A/D转换模块的通道数 量与超声波感应元的数量相对应。
[0016] 本发明之一种根据上述机器人定位导航系统的导航方法，包括W下步骤： (1) 由机器人定位终端依据移动体行走的起始坐标数据，结合定位后沿预设的运动轨 迹可能达到的坐标，计算规划出每个可能达到的坐标处所需的至少两个信标模块，依次序 分别呼唤需要的信标模块，建立信标模块和机器人定位终端的同步测试关系； (2) 收到同步信号的机器人定位终端启动数据采集时间窗口T，接收信标模块按时序发 来的已编码的超声波信号，分别标记接收到的时间为Ti,T2_"Ti，其中，i与所呼唤信标模块 的数量相同；处理计算每个时间段接收到的超声波信号数据段，识别其编码，若接收到多组 相同编码的超声波信号，只取最先到达的一组超声波编码信号，剔除其余杂波，再经计算找 到每个时间段最先到达的此组超声波编码信号的起头时间Ti'，T2'，…，Ti'; (3) 计算得到超声波接收阵列与每个信标模块之间的距离Zi为Zi=Ti'Xc，其中，C为 超声波信号在常溫下的传播速度，并修正超声波信号的传播速度C; (4) 计算得出超声波接收阵列理论中屯、与每个信标模块的距离LiW及信标模块与超声 波接收阵列理论中屯、的右旋角丫 1; (5) 计算机器人所在位置的二维坐标数据或=维坐标数据，生成机器人的导航信息； (6 )规避运动过程中的障碍物，选择自动规避或人工介入。
[0017] 进一步，步骤（3)中，所述超声波信号的传播速度C的修正方法为： A. 选取所需的两个信标模块，根据它们的固定坐标计算出它们之间的绝对距离； B. 在超声波有效覆盖范围内的任意一个地方，在固定的默认声速条件下，计算出超声 波接收阵列理论中屯、与两个信标模块的相对距离和角度，进而计算出两个信标模块之间的 相对距离； C. 将两个信标模块之间的绝对距离与相对距离的误差百分率作为补偿，计算出实际声 速。
[001引本发明与现有技术相比具有如下特点： (1) 将接收到的超声波信号根据其信号的强弱进行自动增益控制，输出稳定的动态范 围，并转换成数字信号，计算出判断阔值，根据判断阔值判断当前信号为超声波信号还是噪 声信号，从而实现超声波检测，解决了超声波信号在传输过程中的衰减问题； (2) 利用超声波阵列中超声波感应元之间的相位差和信号强度，分辨不同途径的超声 波，只取直线到达的超声波，运样可解决多径效应和非视距传播问题，滤除环境声波的干 扰，缩短测试时间，大大提高测距精度和可靠性； (3)使用编码超声波方式可便于确定接收的超声波是否是需要的信标模块发送的，同 时通过与发射源的理论编码比对，判断该组超声波是不是需要的信标模块发送的那束超声 波，可精确确定超声波的起始点和发射