一种自主导航的移动机器人及其自主导航的方法
【专利说明】一种自主导航的移动机器人及其自主导航的方法
[0001] 背景领域
[0002] 本发明涉及移动机器人领域，尤其涉及一种能够实现自主导航的移动机器人及其 自主导航的方法。
【背景技术】
[0003] 在人工智能、机器人技术发展越来越发达的今天，出现了很多可以自行移动的智 能设备，例如家用扫地的机器人、安防巡检机器人等，这些智能设备通常可以自行感知周边 环境，生成地图并规划行走路线。
[0004] 目前，市面上这些能够实现自主导航行走的两轮的移动机器人，通常都是左右车 轮各使用一个马达，通过两边马达转速不同达到转向的目的，这种驱动方式下，设备可以实 现原地转弯，控制算法也相对比较容易。但是在一些体积较大、车身较重的设备中，使用类 似原理的四轮汽车或三轮车的驱动方式更为合理，这种驱动方式下，是依靠前轮（即方向 轮）转动方向来达到转向的目的。
【发明内容】
[0005] 针对上述问题，为了扩展自主导航设备的应用领域，本发明提供了一种自主导航 的移动机器人及其自主导航的方法，其主要通过一种自主导航的移动机器人及其自主导航 的方法，其通过分别设置在方向轮，左后轮和右后轮的编码器获取方向轮，左后轮和右后轮 的角度和转速，作为移动机器人实现自主导航的基础数据，简单方便同时保证了自主导航 的精度。
[0006] 本发明提供的自主导航的移动机器人，至少包括：
[0007] 在方向轮电动机的驱动控制下实现所述移动机器人转向的至少一个方向轮；
[0008] 与所述方向轮连接的方向轮编码器，用于读取所述方向轮的转向角度；
[0009] 分别与移动机器人的左后轮和右后轮连接的后轮左编码器和后轮右编码器，分别 用于读取所述左后轮和右后轮的运转圈数；
[0010] 分别与移动机器人的左后轮、右后轮、和后轮电动机连接的差速器，用于控制所述 左后轮和右后轮的转速；
[0011] 激光雷达，独立设置于所述移动机器人上，在预设角度内扫描所述移动机器人移 动过程中周围的障碍物；
[0012] 多个超声测距传感器，设置在所述移动机器人的四周，用于检测所述移动机器人 在移动过程中四周的障碍物，弥补激光雷达的盲区；
[0013] 所述方向轮电动机、后轮电动机、激光雷达、超声测距传感器、方向轮编码器、后轮 左编码器、以及后轮右编码器分别与所述移动机器人中的总控制器连接，所述总控制器不 断获取所述激光雷达、超声测距传感器、方向轮编码器、后轮左编码器、以及后轮右编码器 的数据，随后利用自适应蒙特卡罗定位方法通过SLAM算法实现对周围环境的地图构建和 位置定位，实现移动机器人自动路径规划和导航。
[0014] 在本技术方案中，分别针对左后轮和右后轮安装编码器，以获取两个后轮的运转 圈数，利用差速器来控制两个后轮的速度，根据设置在方向轮的方向轮编码器获取方向轮 的转向角度。
[0015] 优选地，所述移动机器人包括一个或两个方向轮。
[0016] 优选地，所述方向轮编码器设置于方向轮的转向立柱上或方向轮电动机输出轴的 部位。
[0017] 优选地，所述激光雷达设置在所述移动机器人的前部或中部，且所述预设角度大 于 60°〇
[0018] 在本技术方案中，激光雷达能够扫面到的角度越大越好，这样移动机器人自主导 航的精确度越高。
[0019] 一种移动机器人自主导航的方法，应用于上述自主导航移动机器人，通过A-Star 算法或Dijkstra算法，在地图上获取移动机器人从当前位置到达目的地的最优路径，随后 再根据移动机器人当前位置和当前的速度判定所述移动机器人下一步的移动轨迹，其中，
[0020] 判定所述移动机器人的下一步移动轨迹具体包括以下步骤：
[0021] S1根据不同时刻后轮左编码器和后轮右编码器的读数获取移动机器人当前的线 性速度VX:
[0023] 其中：其中：lrpn表示n时刻后轮左编码器的读数，rrpn表示n时刻后轮右编码器 的读数，lrPlri表示n-1时刻后轮左编码器的读数，rrpu表示n-1时刻后轮右编码器的读 数，D表示移动机器人左后轮和右后轮的直径，RP表示后轮左编码器和后轮左编码器完整 一圈的读数，t表不n时刻和n-1时刻的时间间隔；
[0024] 根据方向轮编码器的读数获取方向轮的当前角度ang:
[0025] ang=HAX(frp-FZRP),
[0026] 其中：HA表示方向轮编码器每个读数对应的方向轮的角度，frp表示方向轮编码 器的当前读数，FZRP表示方向轮零角度时的编码器读数；
[0027] S2结合激光雷达、方向轮编码器、后轮左编码器、以及后轮右编码器的数据，利用 自适应蒙特卡罗定位方法，定位所述移动机器人在环境中的位置；
[0028] S3对所述移动机器人下一步移动的线性速度和方向轮角度进行采样，其中，线性 速度SAM_VX的采样范围SAM_VX_BND为：
[0029] SAM_VX_BND=[max(vx-MIN_VAX, 0),min(vx+MAX_VAX,MAX_VX)],
[0030] 其中，MIN_VAX表示移动机器人减速时的最大加速度，MAX_VAX为移动机器人加速 时的最大加速度，MAX_VX为移动机器人直线运行的最大速度；
[0031] 方向轮角度的采样范围SAM_ANG_BND为：SAM_ANG_BND= [max(ang-MVZW，MIN_ ANG)，min(ang+MVZW，MAX_ANG)]，
[0032] 其中，"MVZW"表示方向轮的最大角速度，"MIN_ANG"表示方向轮向右能达到 的最大角度，"MAX_ANG"表示方向轮向左能达到的最大角度；
[0033]分别在所述线性速度和所述方向轮角度的采样范围选取预设数量的采样值，分别 作为线性速度和方向轮角度的样本值；
[0034] S4根据轴距、所述线性速度的样本值、和所述方向轮角度的样本值预测所述移动 机器人的下一步移动轨迹；
[0035] S5分别对每个所述线性速度的样本值和方向轮角度的样本值进行评估，直到得到 最优的样本值，作为所述移动机器人的下一步移动的速度。
[0036] 优选地，在步骤S3中，在对线性速度和方向轮角度采样的过程中，设定所述移动 机器人下一步移动的时间长度为Is。
[0037] 本发明提供的自主导航设备和自主导航方法，其有益效果在于：
[0038] 1.在本发明中，通过设置在左后轮和右后轮上分别安装编码器，读取两个后轮的 运转圈数，相比传统的仅在马达输出轴上安装一个编码器的方式，可以推算出设备移动的 位置和角度；
[0039] 2.通过设置在方向轮上的编码器读取方向轮的转向角度，从而可以精确控制方向 轮的转动角度，以精确地实现移动机器人的自主导航；
[0040] 3.在本发明中，通过对移动机器人运行过程中的线性速度和方向轮角度进行采 样，以推定移动机器人下一步移动的轨迹，同时对采样值中的样本值进行评估，实现在移动 机器人自主导航的过程中移动轨迹的自动规划和优化。
【附图说明】
[0041] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明：
[0042] 图1为本发明中自主导航移动机器人的底盘的结构示意图；
[0043] 图2为本发明中自主导航移动机器人的结构示意图；
[0044] 图3为本发明中自主导航移动机器人移动轨迹评估示意图。
[0045] 附图标记：
[0046] 101.方向轮，102.方向轮编码器，103.方向轮电动机，104.后轮电动机，105.后轮 右编码器，106.右后轮，107.差速器，108.左后轮，109.后轮左编码器，110.激光雷达，111. 超声测距传感器，112.总控制器，113.方向轮控制器，114.后轮控制器，301.第一障碍物， 302.第二障碍物，303.移动机器人当前位置，304.预测的移动机器人下一步的移动轨迹
【具体实施方式】
[0047] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面结合附图和实施 例对本发明进行具体的描述。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。对