一种轨道式巡检机器人定位及位置校准系统及方法与流程

本发明涉及巡检机器人技术领域，尤其是一种轨道式巡检机器人定位及位置校准系统及方法。

背景技术：

轨道式巡检机器人被广泛应用于隧道、管廊、变电站等环境恶劣的工业现场，用来采集现场环境数据。在这些应用场景中，轨道巡检机器人通常需要进行如下动作：前往预先设定的巡检地点采集数据；在运行过程中遇到异常环境数据时需要上报异常数据及产生异常数据的具体位置，因此，轨道巡检机器人定位系统的准确性与可靠性对于整个系统的可靠运行至关重要。

现有的轨道巡检机器人的定位方法主要有：gps定位、增量式编码器测距定位、激光测距定位、rfid定位、红外定位、超声定位、接触式传感器定位等；现有定位方法既有采用单一方法定位，也有采用多种方法综合定位，如：增量式编码器与接触式电压传感器综合定位等。

单一方法定位易受环境因素干扰，如gps定位不适合室内工作，红外定位和激光测距定位易受红外光、灰层等影响，rfid定位精度低，增量式编码器测距定位易受巡检机器人的轮子打滑、磨损等状况的影响，接触式传感器定位对于巡检机器人的运动控制要求较高；而现有的多种方法综合定位依赖传感器的个数较多，需要预先设置巡检点或定位点，对辅助定位工具（如挡片、吊耳座等）安装要求高，增加了成本，而且无法在巡检机器人出现断电等意外状况后，重新自主定位，因此需要寻找一种能够解决此类问题的方法。

技术实现要素：

有鉴于此，需要克服现有技术中的上述缺陷中的至少一个，本发明提供了一种轨道式巡检机器人定位及位置校准方法，包括以下步骤：步骤1，在巡检机器人正式工作前，探测多个间隔设置在轨道上的挡片的坐标信息作为轨道数据记录到所述巡检机器人的本地数据库中，且挡片之间的间距不完全相等；步骤2，在所述巡检机器人正式巡检时，对所述巡检机器人的位置进行实时巡检定位并根据所述轨道数据对所述定位进行校准；步骤3，当所述巡检机器人运动至所述轨道的任意位置处后定位失败时，对所述巡检机器人的位置进行重新巡检定位，其中，所述步骤3包括以下子步骤：步骤3-1，所述巡检机器人运动至所述轨道的任意位置处后定位失败时重新开始运动；步骤3-2,设置在所述巡检机器人上的增量式编码器在所述巡检机器人行走过程中将实时探测到的所述巡检机器人的位移信息反馈给设置在所述巡检机器人上的位置计算单元，设置在所述巡检机器人上的脉冲计数器在所述巡检机器人行走过程中实时探测发出的信号的脉冲数并将所述脉冲数反馈给所述位置计算单元；步骤3-3,所述位置计算单元根据实时反馈的所述脉冲数实时判断当前探测周期下的所述脉冲数是否等于所述挡片的齿数，在判断为是时，判定当前扫描到所述挡片并将扫描到所述挡片时的所述位移信息记录到所述本地数据库中，在判断为否时重新执行步骤3-2；步骤3-4,重复步骤3-2至3-3至扫描到下一个所述挡片；步骤3-5，将扫描到的所述挡片的个数记作n，计算扫描到的n个所述挡片中任意两个相邻所述挡片对应的所述位移信息的差值形成当前位移差值组；步骤3-6，将所述本地数据库中任意一个所述挡片的坐标信息作为起点，顺延n-1个所述挡片的坐标信息形成参考坐标组，计算所述本地数据库中每一组所述参考坐标组中任意两个相邻所述坐标信息的差值形成一组坐标差值组，并将所述当前位移差值组与所述本地数据库中所有的所述坐标差值组进行比较；步骤3-7，当仅存在一组所述坐标差值组与所述当前位移差值组对应相等时，将该坐标差值组对应的所述参考坐标组中的最后一个所述坐标信息作为所述巡检机器人当前的坐标信息，否则时重复执行步骤3-4至3-6。

根据本专利背景技术中对现有技术所述，巡检机器人出现断电等意外状况后无法实现重新自主定位；而本发明公开的轨道式巡检机器人定位及位置校准方法，在巡检机器人行走的轨道上间隔设置有多个挡片，任意相邻两个所述挡片的间距不完全相等；当巡检机器人运动至轨道的任意位置处后定位失败（例如巡检机器人断电等定位终止的情况）再重新运动时，通过判断探测周期内的脉冲数与挡片的齿数一致来判定巡检机器人位于某一挡片旁；在判定连续扫描到n个挡片后，从本地数据库中找出与当前位移差值相一致的坐标位置差，因为挡片之间的间距可能相等可能不等，因此再判断本地数据库中是否仅存在一组坐标差值组与当前位移差至组一致，如果判断为是，即可确认所述巡检机器人当前的坐标信息，否则再扫描下一个挡片并执行上述步骤，从而实现了巡检机器人的自主定位。

另外，根据本发明公开的一种轨道式巡检机器人定位及位置校准方法还具有如下附加技术特征：

进一步地，所述步骤2包括以下子步骤：步骤2-1，所述巡检机器人从所述轨道的起始点开始运动，并令判断次数k=0；步骤2-2，所述增量式编码器实时探测所述巡检机器人的所述位移信息并将所述位移信息反馈给所述位置计算单元，所述位置计算单元将所述位移信息作为所述巡检机器人当前的坐标信息；步骤2-3，所述脉冲计数器将实时探测到的所述脉冲数反馈给所述位置计算单元，所述位置计算单元判断当前探测周期内的所述脉冲数是否等于所述挡片的齿数，并在判断为是时，进一步计算所述位移信息与所有所述挡片的所述坐标信息的位置差值，在判断为否时重新执行步骤2-2；步骤2-4，所述位置计算单元判断是否存在绝对值在预定误差内的所述位置差值，并在判断为是时，令所述判断次数k=0，并将该位置差值对应的所述挡片在所述本地数据中的坐标信息作为所述巡检机器人的当前的所述坐标信息，在判断为否时，令k=k+1，重新执行步骤2-2至k=3，并判定为定位失败。

通过增量式编码器实时探测巡检机器人的位移信息，由于增量式编码器易受巡检机器人的轮子打滑、磨损等状况的影响而产生位移探测误差，在当前探测周期内的所述脉冲数等于所述挡片的齿数时判定扫描到挡片，并检索本地数据中坐标信息与当前的位移信息偏差在预定误差内的挡片，并将该挡片的位移信息作为巡检机器人的当前的坐标信息，从而减小了增量式编码器的累计误差。

更进一步地，所述预定误差小于所有所述挡片的间距的最小值的一半。

将预定误差设置为小于所有所述挡片的间距的最小值的一半，从而避免出现存在两个挡片的坐标信息与当前的位移信息偏差均在预定误差内的情况。

进一步地，所述步骤1包括以下子步骤：步骤1-1，所述巡检机器人从所述轨道的起始点开始运动；步骤1-2，所述增量式编码器将实时探测到的所述位移信息反馈给位置计算单元，所述脉冲计数器将实时探测到的所述脉冲数反馈给所述位置计算单元；步骤1-3，所述位置计算单元判断当前探测周期内的所述脉冲数是否等于所述挡片的齿数，并在判断为是时，将所述位移信息作为所述挡片的坐标信息记录到所述本地数据库中；步骤1-4，重复步骤1-2至步骤1-3直至所述巡检机器人走完整个所述轨道。

巡检机器人在正式工作前通过探测得到轨道数据，并以该轨道数据为标准来进行正式工作后的实时巡检的位置校准（步骤一在巡检机器人正常巡检后不需要再进行）；因为不是直接将挡片的坐标录入本地数据库中从而降低了对挡片安装位置精度的要求。

更进一步地，所述步骤1还包括以下子步骤：步骤1-5，重复步骤1-1至步骤1-4至预定次数，将每次每个所述挡片的坐标信息对应到记录所述巡检机器人的所述本地数据库中；步骤1-6，将每个所述挡片对应的多个所述坐标信息中偏差较大的值从所述本地数据库中去除；步骤1-7，对所述本地数据库中的每个所述挡片对应的所述坐标信息进行平均值计算得到均值并将所述均值作为该挡片的最终的坐标信息。

多次重复步骤1-1至步骤1-4，避免出现没有扫描到挡片的情况；将每个挡片对应的多个坐标信息中偏差较大的值去除后求取平均值以消除增量式编码器定位时的累计误差。

更进一步地，所述步骤1-6中将偏差较大的值去除的方法为为将多个所述坐标信息中的所述最大值和所述最小值从所述本地数据库中去除。

更进一步地，所述预定次数为至少三次。

根据本发明的另一方面，还提供了一种基于上述的一种轨道式巡检机器人定位及位置校准方法的一种轨道式巡检机器人定位及位置校准系统，包括:轨道；多个间隔设置在所述轨道上的挡片，每个所述挡片具有多个齿，所有所述挡片的齿数相等；以及设置在滑动安装在所述轨道上的所述巡检机器人上的定位检测模块，所述定位检测模块包括增量式编码器、脉冲计数器以及位置计算单元，所述增量式编码器用于实时探测所述巡检机器人的位移信息并将所述位移信息反馈给所述位置计算单元；所述脉冲计数器用于实时探测发出的信号的红外脉冲的脉冲数并将所述脉冲数反馈给位置计算单元；所述位置计算单元根据所述位移信息以及脉冲数得到所述巡检机器人的当前的坐标信息。

进一步地，所述轨道通过连接件安装在工业现场上，所述挡片的齿数大于所述连接件与所述轨道的连接点的数量。

进一步地，所述轨道为铝合金轨道；所述挡片为金属挡片，所述脉冲计数器为红外脉冲计数器或超声波脉冲计数器。

进一步地，相邻两个所述挡片之间的间距为30-50m。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明提供的轨道式巡检机器人定位及位置校准系统的结构示意图。

其中，1为轨道，2为挡片，3为巡检机器人，4为定位检测模块，41为增量式编码器，42为脉冲计数器，43为位置计算单元，5为连接件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件；下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“横”、“竖”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的构思如下，在巡检机器人正式工作前，探测所有挡片的坐标信息作为轨道数据从而进行轨道数据初始化；在正式工作后，在每次正常巡检行走到某一挡片处时，将增量式编码器检测到的位移信息校准为当前的坐标信息，在定位失败后要重新开始定位（例如断电）时，经过n个挡片后，通过比较扫描到的n个挡片对应的位移差与本地数据库中任意n个相邻的挡片对应的坐标差，当在本地数据库中只找到一组挡片（一组为相邻的n个挡片）对应的坐标差与位移差相等时，将该组挡片的坐标信息中的最后一个坐标信息作为机器人当前的坐标信息，从而实现了巡检机器人的重新自主定位。

图1为本发明提供的轨道式巡检机器人定位及位置校准系统的结构示意图。

如图所示，根据本发明的实施例，轨道式巡检机器人定位及位置校准方法包括以下步骤：步骤1，在巡检机器人正式工作前，探测多个间隔设置在轨道上的挡片的坐标信息作为轨道数据记录到所述巡检机器人的本地数据库中，且挡片之间的间距不完全相等；步骤2，在所述巡检机器人正式巡检时，对所述巡检机器人的位置进行实时巡检定位并根据所述轨道数据对所述定位进行校准；步骤3，当所述巡检机器人运动至所述轨道的任意位置处后定位失败时，对所述巡检机器人的位置进行重新巡检定位，其中，所述步骤3包括以下子步骤：步骤3-1，所述巡检机器人运动至所述轨道的任意位置处后定位失败时重新开始运动；步骤3-2,设置在所述巡检机器人上的增量式编码器在所述巡检机器人行走过程中将实时探测到的所述巡检机器人的位移信息反馈给设置在所述巡检机器人上的位置计算单元，设置在所述巡检机器人上的脉冲计数器在所述巡检机器人行走过程中实时探测发出的信号的脉冲数并将所述脉冲数反馈给所述位置计算单元；步骤3-3,所述位置计算单元根据实时反馈的所述脉冲数实时判断当前探测周期下的所述脉冲数是否等于所述挡片的齿数，在判断为是时，判定当前扫描到所述挡片并将扫描到所述挡片时的所述位移信息记录到所述本地数据库中，在判断为否时重新执行步骤3-2；步骤3-4,重复步骤3-2至3-3至扫描到下一个所述挡片；步骤3-5，将扫描到的所述挡片的个数记作n，计算扫描到的n个所述挡片中任意两个相邻所述挡片对应的所述位移信息的差值形成当前位移差值组；步骤3-6，将所述本地数据库中任意一个所述挡片的坐标信息作为起点，顺延n-1个所述挡片的坐标信息形成参考坐标组，计算所述本地数据库中每一组所述参考坐标组中任意两个相邻所述坐标信息的差值形成一组坐标差值组，并将所述当前位移差值组与所述本地数据库中所有的所述坐标差值组进行比较；步骤3-7，当仅存在一组所述坐标差值组与所述当前位移差值组对应相等时，将该坐标差值组对应的所述参考坐标组中的最后一个所述坐标信息作为所述巡检机器人当前的坐标信息，否则时重复执行步骤3-4至3-6。

根据本专利背景技术中对现有技术所述，巡检机器人出现断电等意外状况后无法实现重新自主定位；而本发明公开的轨道式巡检机器人定位及位置校准方法，在巡检机器人行走的轨道上间隔设置有多个挡片，任意相邻两个所述挡片的间距不完全相等；当巡检机器人运动至轨道的任意位置处后定位失败（例如巡检机器人断电等定位终止的情况）再重新运动时，通过判断探测周期内的脉冲数与挡片的齿数一致来判定巡检机器人位于某一挡片旁；在判定连续扫描到n个挡片后，从本地数据库中找出与当前位移差值相一致的坐标位置差，例如轨道上一共设置有五个挡片，本地数据库中分别记录有该五个挡片的坐标信息分别记作坐标a、坐标b、坐标c、坐标d以及坐标e，巡检机器人在重新行走过程中扫描到三个挡片并将扫描到该三个挡片时的位移信息分别记作位移a、位移b以及位移c，则此时有3个参考坐标组，分别为参考坐标组一（坐标a、坐标b、坐标c）、参考坐标组二（坐标b、坐标c、坐标d）、参考坐标组三（坐标c、坐标d、坐标e），分别计算当前位移差值组（由位移b与位移a的差值δ1和位移c与位移b的差值δ2形成）和三个坐标差值组（例如参考坐标组一对应的坐标差值组由坐标b与坐标a的差值δ3和坐标c与坐标b的差值δ4形成），因为挡片之间的间距可能相等可能不等，因此再确认本地数据库中是否仅存在一组坐标差值组与所述当前位移差至组一致，如果仅存在一组坐标差值组中的差值与当前位移差值的差值对应相等（例如，参考坐标组一的坐标差值组与当前位移差值组对应相等，即δ1=δ3且δ2=δ4），即可确认所述巡检机器人当前的坐标信息，否则再扫描下一个所述挡片并执行上述步骤，从而实现了巡检机器人的自主定位。

另外，根据本发明公开的一种轨道式巡检机器人定位及位置校准系统还具有如下附加技术特征：

根据本发明的一些实施例，所述步骤2包括以下子步骤：所述步骤2包括以下子步骤：步骤2-1，所述巡检机器人从所述轨道的起始点开始运动，并令判断次数k=0；步骤2-2，所述增量式编码器实时探测所述巡检机器人的所述位移信息并将所述位移信息反馈给所述位置计算单元，所述位置计算单元将所述位移信息作为所述巡检机器人当前的坐标信息；步骤2-3，所述脉冲计数器将实时探测到的所述脉冲数反馈给所述位置计算单元，所述位置计算单元判断当前探测周期内的所述脉冲数是否等于所述挡片的齿数，并在判断为是时，进一步计算所述位移信息与所有所述挡片的所述坐标信息的位置差值，在判断为否时重新执行步骤2-2；步骤2-4，所述位置计算单元判断是否存在绝对值在预定误差内的所述位置差值，并在判断为是时，令所述判断次数k=0，并将该位置差值对应的所述挡片在所述本地数据中的坐标信息作为所述巡检机器人的当前的所述坐标信息，在判断为否时，令k=k+1，重新执行步骤2-2至k=3，并判定为定位失败。通过增量式编码器41实时探测巡检机器人3的位移信息，由于增量式编码器41易受巡检机器人3的轮子打滑、磨损等状况的影响而产生位移探测误差，在当前探测周期内的脉冲数等于挡片2的齿数时判定扫描到挡片2，并检索出本地数据中坐标信息与当前的位移信息偏差在预定误差内的挡片2，将该挡片2的位移信息作为巡检机器人3的当前的坐标信息，从而减小了增量式编码器41的累计误差。

根据本发明的一些实施例，所述预定误差小于所有所述挡片2的间距的最小值的一半。

将预定误差设置为小于所有所述挡片2的间距的最小值，从而避免出现存在两个挡片2的坐标信息与当前的位移信息偏差均在预定误差内的情况。

根据本发明的一些实施例，所述步骤1包括以下子步骤：步骤1-1，所述巡检机器人3从所述轨道1的起始点开始运动；步骤1-2，所述增量式编码器41将实时探测到的所述位移信息反馈给位置计算单元43，所述脉冲计数器42将实时探测到的所述脉冲数反馈给所述位置计算单元43；步骤1-3，所述位置计算单元43判断当前探测周期内的所述脉冲数是否等于所述挡片2的齿数，并在判断为是时，将所述位移信息作为所述挡片2的坐标信息记录到所述本地数据库中，并在判断为否时进入步骤1-2；步骤1-4，重复步骤1-2至步骤1-3直至所述巡检机器人3走完整个所述轨道1。

巡检机器人3在正式工作前通过探测得到轨道数据，并以该轨道数据为标准来进行每次正常工作的实时巡检位置校准（步骤一在巡检机器人正常巡检后不需要再进行）；因为不是直接将挡片2的坐标录入本地数据库中从而降低了对挡片2安装位置精度的要求。

根据本发明的一些实施例，所述步骤1还包括以下子步骤：步骤1-5，重复步骤1-1至步骤1-4至预定次数，将每次每个所述挡片2的坐标信息对应记录所述巡检机器人3的所述本地数据库中；步骤1-6，将每个所述挡片2对应的多个所述坐标信息中偏差较大的值从所述本地数据库中去除；步骤1-7，对所述本地数据库中的每个所述挡片2对应的所述坐标信息进行平均值计算得到均值并将所述均值作为该挡片2的最终的坐标信息。

多次重复步骤1-1至步骤1-4，避免出现没有扫描到挡片2的情况；将每个挡片2对应的多个坐标信息中偏差较大的值去除后求取平均值以消除增量式编码器41定位时的累计误差。

根据本发明的一个实施例，所述步骤1-6中将偏差较大的值去除的方法为为将多个所述坐标信息中的所述最大值和所述最小值从所述本地数据库中去除。

根据本发明的一个实施例，所述预定次数为至少三次。

根据本发明的另一方面，还提供了一种基于上述的一种轨道式巡检机器人定位及位置校准方法的一种轨道式巡检机器人定位及位置校准系统，包括:轨道1；多个间隔设置在所述轨道1上的挡片2，每相邻两个所述挡片2的间距不全相等，每个所述挡片2均具有多个齿，多个所述挡片2具有的齿数相同；以及设置在滑动安装在所述轨道1上的所述巡检机器人3上的定位检测模块4，所述定位检测模块4包括增量式编码器41、脉冲计数器42以及位置计算单元43，所述增量式编码器41用于实时探测所述巡检机器人3的位移信息并将所述位移信息反馈给所述位置计算单元43；所述脉冲计数器42用于实时探测发出的信号的红外脉冲的脉冲数并将所述脉冲数反馈给位置计算单元43；所述位置计算单元43根据所述位移信息以及脉冲数得到所述巡检机器人3的当前的坐标信息。

根据本发明的一些实施例，所述轨道1通过连接件5安装在工业现场上，所述挡片2的齿数大于所述连接件与所述轨道1的连接点的数量。

通过将挡片2的齿数设置为大于连接件与轨道1的连接点的数量；来避免巡检机器人通过连接件时，位置计算单元43根据接收到的脉冲计数器42反馈的当前探测周期内的脉冲数将连接件判定为挡片2。

根据本发明的一个实施例，所述连接件5为吊杆，所述轨道1通过所述吊杆安装在所述工业现场的天花板上。

根据本发明的一个实施例，所述轨道1为铝合金轨道1；所述挡片2为金属挡片2；所述脉冲计数器42为红外脉冲计数器或超声波脉冲计数器。

根据本发明的一个实施例，相邻两个所述挡片之间的间距为30-50m。

尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本发明原理的精神和范围之内；具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱离本发明的精神；除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。