一种移动机器人导航系统和移动机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种移动机器人导航系统和移动机器人。

背景技术：

机器人自动行驶导航技术现在以激光雷达导航为主，激光雷达导航原理是以水平的激光雷达为圆心，激光雷达发出的激光射线到掩体(墙或物)后激光返回，通过从返回光确定掩体到激光雷达的距离，再将激光射线按固定速度连续旋转起来，通过旋转角度和距离两个参数就可以构建这个激光雷达在平面空间的位置，也就是构建地图。再将激光雷达装载在由控制器和电机驱动组成的机器人底盘上，通过计算机的算法来实现让机器人底盘在地图中的规划路线进行行驶的目的。

虽然移动激光雷达导航机器人应用领域十分广泛，但激光雷达在应用方面仍存在有问题和局限性，现有的激光导航精度有限，同时现有的机器人的行驶不够稳定，在行驶出现方向上的偏差时，机器人在地图中的相对坐标容易丢失，需要有绝对坐标的其他设备或者算法辅助进行导航，而设备以及算法的成本较高，增加了机器人的使用成本。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种移动机器人导航系统，以解决现有技术中的激光雷达导航机器人的导航精度有限在行驶出现偏差时，机器人在地图中的相对坐标容易丢失，辅助设备和算法的高成本导致机器人成本增加的问题；本发明还提供了一种移动机器人。

为了实现上述目的，本发明提供了一种移动机器人导航系统，包括移动机器人和靶牌，所述移动机器人包括本体和布置在本体上的行走机构、导航传感器组、位置传感器组、控制系统，所述导航传感器组、位置传感器组、行走机构均与所述控制系统信号连接；

所述导航传感器组包括中心激光传感器和纠偏激光传感器，所述中心激光传感器的沿所述本体宽度方向的两侧分别布置有至少一个纠偏激光传感器，所述纠偏激光传感器沿水平方向摆动装配在所述本体上，所述靶牌上设置有用于反射激光的航向靶，所述中心激光传感器接收所述航向靶反射的激光并向所述控制系统传输直线行驶信号，所述纠偏激光传感器接收所述航向靶反射的激光并向所述控制系统传输偏离信号，所述控制系统用于向所述行走机构传输行走信号。

优选地，所述纠偏激光传感器有两个，两个纠偏激光传感器对称布置在所述中心激光传感器的两侧，所述本体上布置有与所述纠偏激光传感器传动连接的偏摆机构。

优选地，所述偏摆机构包括布置在所述本体上的基座、摇摆电机、凸轮、复位弹簧和摇摆架，所述摇摆电机布置在所述基座上，所述摇摆架的首端通过摆轴摆动装配在基座上，所述纠偏激光传感器布置在所述摇摆架的首端，所述凸轮与所述摇摆电机传动连接，所述凸轮与所述摇摆架的尾端顶压装配，所述凸轮用于驱动所述摇摆架要所述摆轴摆动，所述复位弹簧顶压装配在所述基座与摇摆架的尾端之间，所述凸轮与所述复位弹簧布置在所述摇摆架的宽度方向的两侧。

优选地，所述位置传感器组包括距离传感器和动作传感器，所述靶牌上设置有距离靶和动作靶，所述距离传感器与所述距离靶配合以确定移动机器人与靶牌的距离，所述动作靶上设置有动作信息，动作传感器用于向所述控制系统传输动作信号。

优选地，所述距离传感器为红外传感器，所述距离靶沿上下方向活动装配在所述靶牌上。

优选地，所述动作传感器沿上下方向间隔布置有多个，每个动作传感器用于向所述控制系统传输单一的动作信号，所述动作靶布置在所述靶牌上的高度与其中一个的动作传感器的高度相同。

优选地，所述行走机构包括布置在所述本体上的补偿悬架和布置在所述补偿悬架上的驱动轮，所述补偿悬架上还设置有与所述驱动轮传动连接的行走电机。

优选地，所述行走机构还包括布置在所述本体的首端与尾端的脚轮，所述本体上设置有用于固定所述脚轮的支撑架。

优选地，所述补偿悬架包括固定布置在所述本体上的固定架和沿上下方向转动装配在所述固定架上的浮动架，所述驱动轮固定布置在所述浮动架远离所述固定架的一端，所述行走电机固定布置在所述浮动架上，所述固定架与浮动架之间还布置有减震弹簧。

本发明还提供了一种移动机器人，所述移动机器人为上述任一技术方案中的移动机器人导航系统中的移动机器人。

本发明实施例一种移动机器人导航系统和移动机器人与现有技术相比，其有益效果在于：导航传感器组包括中心激光传感器和至少两个纠偏激光传感器，移动机器人在行走的过程中，纠偏激光传感器在水平面内摆动，纠偏激光传感器发出的激光在中心激光传感器两侧的扇形面内扫动，中心激光传感器接收到航向靶反射的激光时说明移动机器人沿直线运动，中心激光传感器向控制系统传输直行信号；纠偏激光传感器接收到航向靶反射的激光信号时说明移动机器人偏离直线，根据接收到的纠偏激光传感器的位置确定移动机器人是左偏还是右偏，从而向控制系统传输偏离信号，控制系统向行走机构传输行走信号并改变行走机构的行走方向，提高移动机器人的行走精度，省略了专用的辅助设备和算法，从而降低了移动机器人的使用成本。

附图说明

图1是本发明移动机器人导航系统的分解示意图；

图2是图1的移动机器人导航系统的移动机器人的结构示意图；

图3是图2的移动机器人导航系统的偏摆机构与导航传感器组的装配图；

图4是图2的移动机器人导航系统的行走机构的结构示意图；

图5是图1的移动机器人导航系统在凹凸地面行走时的补偿示意图；

图6是图1的移动机器人导航系统的导航传感器组与位置传感器组发射光线的原理示意图；

图7是图1的移动机器人导航系统的纠偏激光传感器的偏摆扫描示意图；

图8是图1的移动机器人导航系统的靶牌的距离靶在不同高度的示意图；

图9是图1的移动机器人导航系统的工作原理示意图。

图中，1、移动机器人；2、本体；21、车架；22、电池；23、软体包围；3、行走机构；31、补偿悬架；311、固定架；312、浮动架；313、减震弹簧；314、张紧螺栓；315、活动穿销；32、行走电机；33、驱动轮；34、脚轮；4、导航传感器组；41、中心激光传感器；42、纠偏激光传感器；5、位置传感器组；51、距离传感器；52、动作传感器；53、传感器支架；6、控制系统；7、偏摆机构；71、基座；72、摇摆电机；73、凸轮；74、复位弹簧；75、摇摆架；76、摆臂穿销；8、靶牌；81、底座；82、立柱；83、航向靶；84、距离靶；85、动作靶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的一种移动机器人导航系统的优选实施例，如图1至图8所示，包括移动机器人1和靶牌8，靶牌8上记载有移动机器人1的行走信息，以向移动机器人1反馈行走信号。移动机器人1包括本体2、行走机构3、导航传感器组4、位置传感器组5和控制系统6，行走机构3用于驱动移动机器人1移动，导向传感器组用于检测行走机构3的航向是否正确，位置传感器组5用于检测移动机器人1的位置并确定在该位置处的动作；控制系统6用于接收导航传感器组4的航向信号、位置传感器组5的位置信号向并向行走机构3传输行走信号。

本体2包括车架21和布置在车架21上的电池22，车架21整体为圆角矩形结构，电池22通过压板固定在车架21的后端，车架21形成移动机器人1的结构基础，车架21的周围包裹有软体包围23，软体包围23用于减少移动机器人1在碰撞时车架21承受的损伤。电池22用于为移动机器人1提供能量，控制系统6、导航传感器组4、位置传感器组5、行走机构3均布置在车架21上。

行走机构3包括补偿悬架31、行走电机32、驱动轮33和脚轮34，补偿悬架31和驱动轮33布置在车架21的长度方向的中部，行走电机32和驱动轮33传动连接，驱动轮33共有两个，两个驱动轮33对称布置在车架21的宽度方向的两侧。脚轮34共有四个，四个脚轮34布置在车架21的四个角落处，驱动轮33为主动轮，脚轮34为支撑轮，驱动轮33驱动移动机器人1行走，脚轮34用于支撑车架21保持稳定。行走电机32、补偿悬架31均有两个，行走电机32、补偿悬架31和驱动轮33一一对应，每个驱动轮33布置在一个补偿悬架31上。

补偿悬架31固定在车架21的中部，补偿悬架31包括固定布置在车架21上的固定架311和通过活动穿销315转动装配在固定架311上的浮动架312，浮动架312的活动穿销315沿水平方向延伸，浮动架312可在上下方向转动，即浮动架312沿上下方向转动装配在固定架311上，驱动轮33转动装配在浮动架312上。行走电机32固定布置在浮动架312上，行走电机32和驱动轮33传动连接。

浮动架312和固定架311之间还布置有减震弹簧313，减震弹簧313与驱动轮33布置在浮动架312的活动穿销315的两侧，减震弹簧313用于向浮动架312施加复位的弹性力，在路面出现凸凹不平时，浮动架312绕其活动穿销315转动，驱动轮33上下浮动，在越过凸凹路面后，复位弹簧74驱动浮动架312复位，驱动轮33回复至原位，补偿悬架31可以有效提供地面摩擦力，补偿因地面不平带来的驱动轮33离地等情况，或者移动机器人1在被外力阻止运动，驱动轮33即可以打滑保护行走电机32。固定架311的底部还布置有张紧螺栓314，张紧螺栓314用于调节复位弹簧74的初始弹力，从而调整驱动轮33和地面的摩擦力，增加行走的平稳性。

导航传感器组4包括中心激光传感器41和纠偏激光传感器42，纠偏激光传感器42有两个，两个纠偏激光传感器42对称布置在中心激光传感器41沿本体2的宽度方向的两侧。中心激光传感器41用于发射激光并接收靶牌8反射的激光，以保证移动机器人1传感器沿直线行驶，纠偏激光传感器42用于对移动机器人1的航向进行纠偏。

纠偏激光传感器42通过偏摆机构7布置在车架21上，偏摆机构7包括基座71、摇摆电机72、凸轮73、复位弹簧74和摇摆架75，基座71固定在车架21上，基座71为偏摆机构7的固定基础，基座71布置在移动机器人1的中心线上，中心激光传感器41固定布置在基座71上以保证中心激光传感器41位于移动机器人1的中心。

摇摆架75、凸轮73和复位弹簧74均有两组，两组摇摆架75、凸轮73和复位弹簧74与两个纠偏激光传感器42一一对应，纠偏激光传感器42固定布置在摇摆架75的首端，两个摇摆架75对称布置在基座71宽度方向的两侧。基座71上转动装配有摆臂穿销76，摇摆架75的首端与摆臂穿销76固定连接，摇摆架75通过摆臂穿销76摆动装配在基座71上。

摇摆电机72固定装配在基座71的尾端，两个凸轮73与摇摆电机72的输出轴固定连接，凸轮73与摇摆架75的尾端顶压装配。基座71与摇摆架75之间还顶压装配有复位弹簧74，复位弹簧74与凸轮73布置在摇摆架75的宽度方向的两侧，凸轮73在摇摆电机72的驱动下转动时顶压摇摆架75的尾端，凸轮73将被复位弹簧74推着的摇摆架75顶开，摇摆架75以摆臂穿销76为轴摆动，摇摆架75带动其首部的纠偏激光传感器42摆动，此时纠偏激光传感器42发射的激光射线在扇形面内往复摆动。

两个凸轮73布置在基座71的上下两侧，上方的凸轮73与左侧的摇摆架75抵接，下方的凸轮73与右侧的摇摆架75抵接，两个凸轮73的相位差别为180度，两个凸轮73通过同一个摇摆电机72驱动。在凸轮73顶开摇摆架75时，纠偏激光传感器42发射的激光射线向中间扫射，凸轮73在到达最高点后继续旋转，摇摆架75在复位弹簧74的弹性作用下复位，激光射线向两侧扫射。

纠偏激光传感器42和中心激光传感器41的结构相同，包括激光发射器、激光接收器和光电转化器，激光发射器发射的激光射到靶牌8后会出现返回，返回的激光被激光接收器接收后传输给光电转化器，光电转化器将光信号转化为电信号并传输给控制系统6，如果激光射线没有射到航向靶83则激光接收器没有接收到返回的激光，光电转化器则没有信号输出。当中心激光传感器41接收到返回的激光射线时，说明车辆的行驶方向与靶牌8在同一直线上，车辆不用调整，中心激光传感器41向控制系统6传输直线行驶信号，控制系统6控制行走机构3直行；当两侧纠偏激光传感器42接收到返回的激光射线时，说明车辆的航向出现了偏差，则纠偏激光传感器42向控制系统6发出轨道偏离信号，控制系统6向行走机构3传输纠偏信号，行走机构3对移动机器人1的航向进行调整，直至中心激光传感器41接收到返回的激光为止；当中心激光传感器41与纠偏激光传感器42均没有收到返回的激光时，则说明靶牌8被障碍物遮挡，此时车辆停止。

激光射线所笼罩的范围非常有限，在远距离工作的情况下初始位置的一点偏差角度反映到靶牌8的范围就非常大。在偏摆机构7的作用下，两侧的纠偏激光传感器42处于偏摆状态，激光射线从一条直线变成了一个扇面，尤其在远距离使用时，两个纠偏激光传感器42的射线范围增加，保证纠偏激光传感器42可以接收到反射后返回的激光射线，增加了纠偏的稳定性。

位置传感器组5包括距离传感器51和动作传感器52，距离传感器51用于识别靶牌8上的距离靶84以检测移动机器人1相对于靶牌8的距离，动作传感器52用于识别靶牌8上的动作以确定移动机器人1在该距离下的动作。距离传感器51和动作传感器52均为红外传感器，红外传感器有光电开关组成，红外传感器利用发射以及接收红外线的原理识别靶牌8。

本体2上布置有传感器支架53，传感器支架53固定布置在车架21的首端，距离传感器51和动作传感器52固定布置在传感器支架53上。距离传感器51固定布置在传感器支架53的顶端，动作传感器52共有五个，五个动作传感器52由上至下依次布置在传感器支架53上。五个动作传感器52在接收到红外线信号后，分别向控制系统6传输不同的动作信号，例如，定义五个动作传感器52由上至下依次为一号、二号、三号、四号和五号，一号传输左转信号，二号传输右转信号，三号传输掉头信号，四号传输加速信号，五号传输减速信号；五个动作传感器52传输的信号也可以根据需要进行调整更换。每个动作传感器52发出的红外射线经过靶牌8反射返回后被该动作传感器52接收到，接收到红外射线后动作传感器52向控制系统6传输对应的动作信号，没有接收到红外射线的动作传感器52则不发出动作信号。

靶牌8包括底座81和布置在底座81上的立柱82，底座81形成靶牌8的基础，立柱82上布置有航向靶83、距离靶84和动作靶85，航向靶83布置在立柱82的最底端，距离靶84布置在立柱82的最顶端，动作靶85布置在航向靶83和距离靶84之间，由于中心激光传感器41和纠偏激光传感器42采用激光射线传输信号、距离传感器51和动作传感器52采用红外射线传输信号，因此航向靶83、距离靶84和动作靶85均为用于反光的反光牌，反光牌通过反射相应的射线传输信号。

航向靶83用于反射中心激光传感器41、纠偏激光传感器42发出的激光射线，以确定以及纠偏移动机器人1的航向。距离靶84沿上下方向活动装配在立柱82上，距离靶84上下活动时高度可调，通过调节距离靶84的高度，在靶牌8的位置固定时可以改变反光牌与移动机器人1之间的距离，从而适应不同的环境需求。上下活动装配为现有技术，如在立柱82上布置滑座，滑座通过顶丝与立柱82固定装配，距离靶84固定布置在滑座上，上下活动装配的具体方式不做详细叙述。

每个靶牌8上布置有一个动作靶85，动作靶85的高度与五个动作传感器52的其中一个的高度相同，等高的动作传感器52发出的红外射线经过动作靶85反射后返回，返回的红外射线被等高的动作传感器52接收到，接收到红外射线的动作传感器52向控制系统6发出对应的动作信号。每个靶牌8上仅布置一个动作靶85，保证仅有一个动作传感器52接收到红外射线，动作传感器52向控制系统6仅传输一个动作信号，同时配合距离传感器51接收到的距离信号，移动机器人1实现在特定距离做特定的动作。

本发明的移动机器人导航系统的工作过程如图9所示：1.根据工作环境确定移动机器人1在不同位置需要做的动作，将该动作输入控制系统6，移动机器人1的转弯角度写入控制系统6；2.在不规则的行驶空间内安防四个靶牌8，并分别调整距离靶84的高度，由该高度确定行驶开始时移动机器人1与靶牌8的距离，在靶牌8上仅保留航向靶83和一个动作靶85，动作靶85与做右转动作信号的动作触感器的高度相同，将移动机器人1在检测到动作靶85时的右转角度为90度；3.将移动机器人1布置在初始位置上，移动机器人1在行走机构3的作用下向前行走，移动机器人1在中心激光传感器41与纠偏激光传感器42的作用下保持直线行驶，在移动机器人1行驶至设定位置后距离触感器检测到距离靶84，同时动作传感器52检测到动作靶85，在该距离下移动机器人1原地旋转90度；4.重复步骤3，移动机器人1在规定的范围内行驶。

本发明还提供了一种移动机器人，移动机器人的具体结构与上述移动机器人导航系统中的移动机器人的结构相同，此处不做重复赘述。

综上，本发明实施例提供一种移动机器人导航系统和移动机器人，其导航传感器组包括中心激光传感器和至少两个纠偏激光传感器，移动机器人在行走的过程中，纠偏激光传感器在水平面内摆动，纠偏激光传感器发出的激光在中心激光传感器两侧的扇形面内扫动，中心激光传感器接收到航向靶反射的激光时说明移动机器人沿直线运动，中心激光传感器向控制系统传输直行信号；纠偏激光传感器接收到航向靶反射的激光信号时说明移动机器人偏离直线，根据接收到的纠偏激光传感器的位置确定移动机器人是左偏还是右偏，从而向控制系统传输偏离信号，控制系统向行走机构传输行走信号并改变行走机构的行走方向，提高移动机器人的行走精度，省略了专用的辅助设备和算法，从而降低了移动机器人的使用成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。