专利名称：核电站救援机器人位姿矫正平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种核电站救援机器人位姿矫正平台，属于机器人技术、传感技术、和导航技术等领域。
背景技术：
机器人定位技术在机器人自主导航领域上，有着至关重要的作用。现今，机器人定位技术多种多样，各具特色，但它们大多仅满足工作在正常环境下的定位。对于特殊环境的机器人定位，则必须使用一些特殊的定位方法才能有效工作，这是那些常用的定位措施无法实现的功能。本发明主要面向核电站的核放射环境的移动机器人定位。一方面，核电站为室内环境，无法使用GPS来进行准确定位，且核电站的建筑结构有着很强的防护效果，因此核电站外部的电磁波、电场、磁场等外部信息都很难进入核电站内部供机器人定位使用。因此大多使用惯导或者编码器等方式对机器人进行推算导航。另一方面，机器人推算导航难免会有严重的累计误差，导致机器人的位姿判断失准。然而，通常对于推算导航累积误差的修正要依赖于一些外部信息，如地磁信息或GPS信息等，但这些方式都不适用于核电站环境。还有一些位姿修正方法是通过在环境中布置一些有源器件，如光电器件，通过对这些有源器件的检测来实现对机器人位姿的矫正。但当核电站发生严重泄漏事故时，整个核电站内部充满了核放射。这种情况下，任何未经特殊处理的有源器件都是会失效的。因此，用于 矫正的器件不能包含有源器件。另一些矫正方式虽然可以使用无源器件，如二维码扫描，无源RFID等，但使用这些无源器件，往往需要在机器人上添加其他扫描设备，增加了机器人的负担，且算法复杂，作用距离短，效果不佳。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种核电站救援机器人位姿矫正平台，能够适用于核电站核辐射状况下的移动机器人定位系统，工作在无源且无法接受GPS，地磁等外部信号的特殊环境中。1.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案:一种核电站救援机器人位姿矫正平台，包括机器人、机器人自带的激光传感器，照相机，视频编码器，无线路由器及核电站的位姿矫正参照物一斜坡、编码孔和挡板，以及上位机无线路由器和上位机，其特征在于:在核电站地面用水泥或木板筑起位姿已知的固定斜坡，斜坡的左右两侧通过螺栓将两块挡板与斜坡贴紧连接并固定，在挡板的中间水平区域钻数个孔作为编码孔，编码孔的深度和个数由实际信息量需求决定；机器人在斜坡上运行，激光传感器安装在斜坡两侧，照相机安装在机器人上，照相机的输出连接视屏传感器，视频传感器和激光传感器的输出经无线路由器、无线传输给上位机无线路由器，上位无线路由器的输出连接到上位机；上位机工作人员通过上位机查看到斜坡，即手动操控机器人进入挡板之间的斜坡，由于斜坡的姿态已知，由此机器人的姿态也相应获得；当机器人运动到斜坡中段时，通过装在两侧的激光传感器测量开凿在挡板的编码孔的深度，并以此获得机器人当前的位置坐标，并实施矫正。
所述斜坡是发生核泄漏前人为制造的斜坡，其姿态完全已知。斜坡的宽度与机器人底盘的宽度是相等的，通过在斜坡的两侧筑起两块挡板，由此可以进一步限制机器人在Y方向(即与机器人运动方向垂直的方向)的自由度。通过这个措施，机器人进入斜坡之后的姿态必定是唯一的，且与斜坡的姿态一致。由此根据人为筑造的斜坡的姿态就可以推断出机器人处于斜坡位置时的姿态，即机器人的航向角α、横滚角β、俯仰角Υ。通过更新算法，就实现了机器人姿态的矫正。消除了推算导航产生的固有累计误差。所述斜坡中段区域两侧的挡板上凿有一些编码孔，这些编码孔的深度存储了当前机器人的坐标位置。当机器人运动至这片区域范围时，通过激光传感器可以检测出各个编码孔的深度，并通过解码获取机器人当前的位置坐标(X，Y，Ζ)。通过更新算法，就实现了机器人位置坐标的矫正。当然，依据编码孔的编码复杂程度可以存储其他信息，不局限于坐标信息，因此本发明并不规定编码孔的编码方式。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进
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少:
本发明未使用核电站内部任何有源器件，且未利用任何外部的信号来对机器人的位姿进行矫正，因此适用于核电站发生大规模泄漏后，没有外部信号，也没有任何有源设备的特殊场景的机器人位姿修正。
图1为本发明的机器人位姿矫正平台组成及示意图。图1中，A部分为平台的主视图，B部分为平台俯视图。I为机器人工作环境，2为机器人机身，3为机器人两侧 安装的激光传感器,4为人工筑造于核电站的斜坡,5为凿于挡板上的编码孔，6为机器人处于斜坡中间段的状态，7为紧贴在斜坡两侧的挡板。图2为机器人与上位机的通信简图。图2中，8为上位机PC，9为与上位机相连接的无线路由器，10为安装在机器人上的无线路由器，11为视屏编码器，用于将照相机的数据进行编码便于传输，12为机器人上安装的照相机。图3为斜坡在坐标系下的姿态描述。图4为机器人测量编码孔深度的示意图。其中，13为激光传感器放出的激光，用以检测编码孔深度。图5为编码孔的编码方式示意图，其中14、15、16分别为孔深为6011、4011、1011的编码孔。图6为机器人位姿矫正的简要流程图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例作详细描述。实施例一:参见图1和图2，本核电站救援机器人位姿矫正平台，包括机器人(2)、机器人自带的激光传感器(3)，照相机(12)，视频编码器(11)，无线路由器(10)及核电站的位姿矫正参照物一斜坡(4)、编码孔(5)和挡板(7)，以及上位机无线路由器(9)和上位机
(8)。在核电站地面(I)用水泥或木板筑起位姿已知的固定斜坡(4)，斜坡(4)的左右两侧通过螺栓将两块挡板(7)与斜坡(4)贴紧连接并固定，在挡板(7)的中间水平区域钻数个孔作为编码孔(5)，编码孔(5)的深度和个数由实际信息量需求决定；机器人(2)在斜坡上运行，激光传感器(3)安装在斜坡(4)两侧，照相机(12)安装在机器人(2)上，照相机(12)的输出连接视屏传感器(11)，视频传感器(11)和激光传感器(3)的输出经无线路由器(10)、无线传输给上位机无线路由器(9)，上位无线路由器(9)的输出连接到上位机(8);上位机工作人员通过上位机(8)查看到斜坡(4)，即手动操控机器人(2)进入挡板(7)之间的斜坡
(4)，由于斜坡(4)的姿态已知，由此机器人(2)的姿态也相应获得；当机器人(2)运动到斜坡(4)中段时，通过装在两侧的激光传感器(3)测量开凿在挡板(7)的编码孔(5)的深度，并以此获得机器人(2)当前的位置坐标，并实施矫正。实施例二:本实施例与实施例一基本相同，特别之处是:所述机器人(2)将携带的照相机(12)记录下的环境数据通过视屏编码器(11)和无线路由器(10)传输给上位机(8)，核电站外的工作人员观察到核电站内的斜坡(4)，即发送命令手动操作机器人(2)进入斜坡(4)中；所述斜坡(4)为人为特制的，因此斜坡(4)的倾角和方向角是完全已知的，斜坡
(4)的宽度与机器人(2)底盘的宽度一致，且在斜坡(4)两侧安置了两块挡板(7)以限制机器人Y方向的自由度，因此机器人(2)恰好通过斜坡(4);由于斜坡的的倾角和方向角已知，那么在其上的机器人(2)的姿态角一航向角α、横滚角β和俯仰角Υ就和事先设定的斜坡(4)的姿态完全一致；由此即可更新机器人(2)当前的姿态；所述挡板(7)起限制机器人
(2)Υ方向作用，在挡板(7)中间还开凿了一些编码孔(5)，编码孔(5)的深度记录了当前斜坡(4)的坐标位置。机器人(2)两侧安装的激光传感器(3)测量出编码孔(5)的深度，进行解码后，获得机器人(2)当前的位置坐标，并实施矫正。当机器人(2)正常工作时，可以自主前进，并通过无线路由将获得的图像信息传递给核电站外的上位机显示。然而，当操作人员通过上位机看到斜坡(4)时，即切换操作模式为手动模式，并控制机器人(2 )爬上斜坡(4 )。如图1所示，斜坡(4)的宽度被设定为恰好能容纳机器人(2)通过。为避免机器人
(2)在Y方向产生位移，还要在斜坡(4)两侧竖立两块挡板(7)。这样机器人(2)就能以唯一的姿态通过斜坡(4)。斜坡(4)是在发生泄漏前就人为造好的斜坡，其方向角及坡度角是已知的。因此机器人(2)处于斜坡(4)的姿态角(航向角α、横滚角β、俯仰角Y)则完全与斜坡一致。如图3所示，as，β8，Ys为斜坡(4)各面与大地坐标系的夹角，设X方向为机器人初始设定的标准航向。则机器人(2)的航向角a =as,横滚角β =Ps,俯仰角m。由此，通过更新算法，就可以消除机器人(2)姿态测量的累计误差。当机器人(2)运动至斜坡(4)中段区域时，如图5所示，安转在机器人(2)两侧的激光传感器(3 )放出激光(13 )来测量各个编码孔(5 )的深度。如图5所示，三个编码孔的深度分别为6cm，4cm，Icm0我们可以事先规定第一个编码孔代表机器人(2)X方向坐标，第二个编码孔代表机器人(2)Y方向坐标，第三个编码孔代表机器人(2) Z方向坐标，且编码孔(2)每厘米深度代表IOm的距离，那么机器人(2)此时的坐标为(60m，40m，10m),由此即可更新机器人(2)位置坐标。以上编码方式仅仅是举例，实际应用中应该考虑机器人(2)实际需要的信息量和激光传感器的测量精度、 分辨率等因素来合理制定编码孔(4)的编码方式。图6为机器人位姿矫正的简要流程图。
权利要求
1.一种核电站救援机器人位姿矫正平台，包括机器人(2)、机器人自带的激光传感器(3)，照相机(12)，视频编码器(11)，无线路由器(10)及核电站的位姿矫正参照物一斜坡(4)、编码孔(5)和挡板(7)，以及上位机无线路由器(9)和上位机(8)，其特征在于:在核电站地面(I)用水泥或木板筑起位姿已知的固定斜坡(4 )，斜坡(4 )的左右两侧通过螺栓将两块挡板(7)与斜坡(4)贴紧连接并固定，在挡板(7)的中间水平区域钻数个孔作为编码孔(5)，编码孔(5)的深度和个数由实际信息量需求决定；机器人(2)在斜坡上运行，激光传感器(3)安装在斜坡(4)两侧，照相机(12)安装在机器人(2)上，照相机(12)的输出连接视屏传感器(11)，视频传感器(11)和激光传感器(3)的输出经无线路由器(10)、无线传输给上位机无线路由器(9)，上位无线路由器(9)的输出连接到上位机(8);上位机工作人员通过上位机(8)查看到斜坡(4)，即手动操控机器人(2)进入挡板(7)之间的斜坡(4)，由于斜坡(4)的姿态已知，由此机器人(2)的姿态也相应获得；当机器人(2)运动到斜坡(4)中段时，通过装在两侧的激光传感器(3)测量开凿在挡板(7)的编码孔(5)的深度，并以此获得机器人(2)当前的位置坐标，并实施矫正。
2.根据权利要求1的核电站救援机器人位姿矫正平台，其特征在于所述机器人(2)将携带的照相机(12)记录下的环境数据通过视屏编码器(11)和无线路由器(10)传输给上位机(8)，核电站外的工作人员观察到核电站内的斜坡(4)，即发送命令手动操作机器人(2)进入斜坡(4)中。
3.根据权利要求1的核电站救援机器人位姿矫正平台，其特征在于所述斜坡(4)为人为特制的，因此斜坡(4)的倾角和方向角是完全已知的，斜坡(4)的宽度与机器人(2)底盘的宽度一致，且在斜坡(4)两侧安置了两块挡板(7)以限制机器人Y方向的自由度，因此机器人(2)恰好通过斜坡(4);由于斜坡的的倾角和方向角已知，那么在其上的机器人(2)的姿态角一航向角α、横滚角β和俯仰角Y就和事先设定的斜坡(4)的姿态完全一致；由此即可更新机器人(2)当前 的姿态。
4.根据权利要求1的核电站救援机器人位姿矫正平台，其特征在于所述挡板(7)起限制机器人(2)Υ方向作用，在挡板(7)中间还开凿了一些编码孔(5)，编码孔(5)的深度记录了当前斜坡(4)的坐标位置。机器人(2)两侧安装的激光传感器(3)测量出编码孔(5)的深度，进行解码后，获得机器人(2)当前的位置坐标，并实施矫正。
全文摘要
本发明涉及一种移动机器人的位姿矫正平台。包括机器人、机器人自带的激光传感器，照相机，视频编码器，无线路由，核电站的位姿矫正参照物—斜坡、编码孔和挡板，上位机无线路由和上位机。在核电站地面用水泥或木板筑起位姿已知的固定斜坡，斜坡的左右两侧通过螺栓将两块挡板与斜坡贴紧连接并固定，在挡板的中间水平区域钻数个孔作为编码孔，编码孔的深度和个数由实际信息量需求决定；上位机工作人员通过上位机查看到斜坡，当机器人运动到斜坡中段时，通过装在两侧的激光传感器测量开凿在挡板的编码孔的深度，获得机器人当前的位置坐标，并实施矫正。本发明可以使用在发生过重大核泄漏的没有任何电源的核电站。
文档编号G05D1/02GK103245361SQ20131017046
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月10日 优先权日2013年5月10日
发明者罗均, 诸华林, 李恒宇, 蒲华燕, 谢少荣 申请人:上海大学