具虚拟轨道功能的定位导航装置和机器人的制作方法

本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种定位导航装置，其具有虚拟轨道功能。

背景技术：

城市有轨电车是在铺设物理轨道的基础上实现按预设轨迹巡航的机器。在机器人业界，虚拟轨道功能是指由于某些原因，需要机器人沿预设轨迹巡航；对机器人来说，相当于巡航在一条真实轨道上，但在现实环境中却不存在。

自主定位导航是实现服务机器人实用化的关键技术，它允许机器人自主地通过传感器数据实时定位并构建出所在环境的地图信息，进一步实现导航。专利文献CN106323269公开了一种自主定位导航设备，其为一种模块化的高度集成的机器人定位导航装置，可实现通过收集诸如激光雷达、摄像头等外部传感器获取的环境数据进行自主的同步定位与建图(SLAM)并控制宿主系统，例如扫地机器人，在任意环境当中进行自主的行动和路径规划。

在耦合了上述设备的机器人上实现虚拟轨道功能，目前可以利用可见光摄像机、红外热成像仪等其它检测仪器巡线，以实现按预定轨迹巡航，但该方案需要在使用环境中部署辅助设备，不能保证环境不变性和整洁性，成本较高。这是现有技术的不足之处。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种具虚拟轨道功能的定位导航装置和机器人，它们使得用纯软件的方式在机器人上实现虚拟轨道功能成为可能。

本发明的具虚拟轨道功能的定位导航装置，包括内部传感器和裸露在该装置外的环境传感器，其特征是该装置还包括执行如下步骤的程序：

获取模块经由通信模块捕获由电脑终端设置的虚拟轨道信息；

提取虚拟轨道关键点信息；

构建图结构顶点及边信息；

搜索起点到终点沿虚拟轨道的最优关键点路径；

由关键点路径结合融合观测数据，产生控制策略；

对速度进行平滑处理，下发移动宿主设备的控制指令。

所述提取虚拟轨道关键点信息的限制条件是根据曲线斜率分段拟合求一阶倒数为0的点。

所述内部传感器包括陀螺仪、加速度计和电子罗盘。

所述环境传感器是激光雷达和/或视觉传感器。

本发明还提供一种具虚拟轨道功能的机器人，包括定位导航装置，其特征是：该定位导航装置如上所述。

所述机器人为扫地机器人。

本发明的积极效果在于：本发明能够根据用户给定的虚拟轨道，提取轨道关键点(交叉、拐点等表征轨道特征的特征点)，构建虚拟轨道图结构(Graph)；根据机器人的起点，以及用户设定的终点，分别搜索起始点最近的虚拟轨道关键点，并利用Graph搜索可到达目的点最短虚拟轨道；利用轨迹规划策略，并结合传感器，自主平滑无碰撞地移动到指定位置，实现定点巡航功能；

本发明不需要额外部署辅助设备，不需增加成本，使用更加方便、灵活、快捷，而且不用改变环境。

附图说明

图1是本发明的定位导航装置的硬件结构示意图。

图2是本发明的定位导航装置的程序流程图。

具体实施方式

现结合附图给出较佳实施例，以对本发明作进一步详细说明。

参看图1，在硬件上，本发明的定位导航装置包括内部传感器11、环境传感器12、和算法运算单元13，内部传感器是集成在本装置内部的PCB上的一系列传感器，包含了陀螺仪、加速度计和电子罗盘等惯性导航传感器，其是原本需要外部宿主系统具备的，现无需外部宿主系统的协助，即可自行采集相关的数据；激光雷达、视觉传感器(摄像头)是优先采用的环境传感器，由于需要对外部环境进行直接的测量和观测，而必须裸露在系统外部。

本发明的定位导航装置具有高度模块化的特点，极大地降低了与机器人宿主系统、例如扫地机器人的耦合度，便于快速整合进入现有的机器人宿主系统并可灵活扩展。

参看图2，在软件上，本发明包括若干为了实现虚拟轨道功能的程序模块，它们是：

通信模块21，主要用于与设置虚拟轨道的电脑终端的相关信息的传递，起到桥梁的作用；

获取模块22，捕获通信模块发来的虚拟轨道信息，进行相关数据存储；

轨道关键点提取模块23，根据虚拟轨道信息，可根据曲线斜率、分段拟合求一阶倒数为0的点等限制条件，提虚拟轨道关键点信息；

传感器数据采集滤波模块24，采集传感器数据，采用相关滤波算法，除去测量数据噪点；

里程计模块25，获取机器人的里程数据，为自定位模块提供先验知识；

地图模块26，主要利用SLAM相关算法，构建环境地图，该地图可用于全局路径规划以及自定位模块，是智能移动算法中的核心模块；

自主定位模块27，基于当前传感器信息，结合地图构建存储模块，利用相关匹配算法，获得当前位姿信息，使得智能设备实时知道自己在环境中所处位置；

轨道关键点图结构构建模块28，利用轨道关键点提取模块中的关键点信息及传感器数据采集滤波模块的地图信息，结合关键点之间可达性，构建图结构顶点及边信息，为沿虚拟轨道关键轨迹搜索提供数据支撑；

任务调度管理模块29，该模块主要用于管理用户下发的导航任务，包括设置任务序列、任务分发、任务执行逻辑、调用路径规划服务等部分，是整个系统的中控中心；

全局关键点路径搜索模块291，根据任务调度管理模块下发任务和自主定位模块信息，结合启发式搜索算法，利用轨道关键点图结构，搜索起点到终点沿虚拟轨道的最优路径，指引智能设备完成巡航任务；

局部轨迹规划模块292，利用多传感器融合后数据，当前虚拟轨道节点信息以及自定位信息，结合当前速度信息，产生平滑的无碰撞控制决策，使得智能设备可以无碰撞的完成指定的巡航任务；

运动控制模块293，利用局部轨迹规划模块产生的无碰撞控制决策；结合智能设备运动模型，产生运动控制决策，控制智能设备以一定的速度平滑无碰撞的移动；

智能移动模块294，接收运动控制模块指令，控制设备无碰撞移动。

上述程序模块组合起来执行如下步骤：

步骤一：通信模块收到交互模块发送的相应的虚拟轨道信息；

步骤二：获取模块接收到该虚拟轨道相关信息后，根据虚拟轨道信息，可根据曲线斜率、分段拟合求一阶倒数为0的点等限制条件，提虚拟轨道关键点信息；

步骤三：结合地图模块地图信息及轨道关键点信息，及关键点之间可达性，构建图结构顶点及边信息；

步骤四：当通信模块收到导航任务后，根据自主定位模块信息，结合搜索算法，利用轨道关键点图结构，搜索起点到终点沿虚拟轨道的最优关键点路径；

步骤五：根据上述步骤产生的关键点路径，结合机器人当前融合观测及自定位信息，并根据机器人运动速度及模型，产生控制策略；如果无，则进入下一步骤，否则，退出，任务结束；

步骤六：根据上述控制决策，对速度进行平滑处理，下发控制指令到移动设备，控制移动设备移动。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。