基于差分GPS的履带式自主导航机器人及其导航方法与流程

本发明涉及移动机器人技术领域，特别是一种基于差分gps的履带式自主导航机器人及其导航方法。

背景技术

随着传感器技术、制造技术以及人工智能的发展，机器人已在众多领域得到了较广泛的应用，占着举足轻重的地位。从较早期只能执行简单程序，重复机械动作的工业机器人，发展到如今装载智能程序有较强智能表现的智能机器人，以及正在努力研制的具备犹如人类复杂意识般的意识化机器人。机器人的发展正在向智能化和服务化过渡。

履带式机器人相比于腿式机器人而言，运动机构简单，控制难度相对低；相比于轮式机器人而言，履带式机器人泥路和沙石路等复杂地形的适应能力更优，支撑面积大，不易打滑，越野机动性能好，因而备受野外作业行业的青睐，如室外巡检和果园作业等。

然而目前履带机器人存在以下问题：

(1)两侧履带的机械传动结构和电机驱动特性不能完全一致，两侧履带的速度会产生偏差，从而偏离预定方向；

(2)由于履带式机器人存在电磁干扰问题，导致传感器选型受到限制，目前单个的定位方式都不能很好解决履带机器人定位导航问题；

(3)由于履带式机器人工作环境的特殊性，机器人与上位机之间的通信容易受到干扰，造成机器人控制的不稳定情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于差分gps的履带式自主导航机器人及其导航方法，通过消除机器人两侧履带偏差使导航定位更加准确。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于差分gps的履带式自主导航机器人，包括左直流无刷电机、左旋转编码器、右直流无刷电机、右旋转编码器、双直流无刷电机驱动器、车载天线、车载板卡、工业控制计算机、锂电池组、网络摄像头、前gnss接收机、后gnss接收机、图数传电台、3d激光雷达；

所述双直流无刷电机驱动器分别通过驱动信号线与左直流无刷电机、右直流无刷电机相连，同时驱动左右电机转动。

所述车载板卡与车载天线、前gnss接收机、后gnss接收机相连，前gnss接收机、后gnss接收机直接接收卫星信息，车载天线接收固定基站通过数据传输电台发出的卫星信息；后gnss接收机与车载天线之间的卫星信息进行差分处理，得到定位信息；后gnss接收机与前gnss接收机之间的卫星信息进行差分处理，得到定向信息；

所述网络摄像头通过rj45网口与图数传电台相连，实现上位机实时监控；

所述3d激光雷达通过激光发射组件发射激光束，对外界环境进行持续性的扫描，经过测距算法得出三维空间点云数据及物体反射率，使机器人感知周围环境；

所述工业控制计算机是控制核心：通过串行端口与车载板卡相连，得到定位定向信息；通过rj45网口与3d激光雷达相连，进行辅助定位，同时得到障碍物信息；通过串行端口与双直流无刷电机驱动器相连，用于电机控制；通过串行端口与图数传电台相连，传输实时位姿信息给上位机，用于构建地图，同时得到上位机遥控信号进行遥控操作。

进一步地，所述左旋转编码器与左直流无刷电机机械连接，且左旋转编码器通过信号线与双直流无刷电机驱动器相连，右旋转编码器与右直流无刷电机机械连接，且右旋转编码器通过信号线与双直流无刷电机驱动器相连，实时反馈电机的转速，用于电机转速闭环控制。

一种如所述基于差分gps的履带式自主导航机器人的导航方法，包括以下步骤：

步骤1、轨迹示教

手动遥控履带式机器人运动，实时读取和记录差分gps数据和编码器数据，建立并维护原始轨迹信息，将原始轨迹信息保存为标准文件；

步骤2、轨迹信息修正与优化

通过平滑滤波与拟合算法对原始轨迹进行修正与优化，得到规划轨迹；

步骤3、机器人导航控制

由工业控制计算机实时读取差分gps数据，得到当前机器人的位姿，与预存的规划轨迹信息进行比较，得到位姿误差，输入到反馈控制律中，得到控制输出，实现轨迹跟踪。

进一步地，还包括以下机器人的障碍物检测与控制的步骤，具体如下：

在机器人行进过程中，使用3d激光雷达感知周围环境，当检测到有障碍物时，机器人停止行进，并向上位机发出警报；当机器人接收到继续运行指令且检测到行进方向无障碍物时，机器人继续进行自主导航行进。

进一步地，机器人的运行模式包括自主导航与遥控运行两种模式，二者之间的切换方法如下：

当工业控制计算机接收到自主运行指令时，切换到自主导航模式，工业控制计算机读取示教的轨迹和当前的位姿信息，实现轨迹跟踪；

当工业控制计算机接收到遥控运行指令时，切换到遥控运行模式，图数传电台接收遥控端发送的控制指令，工业控制计算机分析指令，完成相应动作。

进一步地，还包括实时远程监控的步骤，具体如下：

图数传电台通过网线连接网络摄像头，传输实时图像，上位机读取图像且显示在屏幕上，完成实时远程监控。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)驱动方式是两轮差动，通过控制左右直流无刷电机转速进行行进和转向，控制更准确；(2)使用差分gps进行定位处理，减少了电磁干扰的影响，定位定向更准确；(3)机器人与上位机之间的通信稳定性高，控制精准。

附图说明

图1是本发明基于差分gps的履带式自主导航机器人的结构示意图。

图2是本发明基于差分gps的履带式自主导航机器人的信息流图。

附图标识：1为左直流无刷电机，2为左旋转编码器，3为右直流无刷电机，4为右旋转编码器，5为双直流无刷电机驱动器，6为车载天线，7为车载板卡，8为工业控制计算机，9为锂电池组，10为网络摄像头，11为前gnss接收机，12为后gnss接收机，13为图数传电台，14为3d激光雷达。

具体实施方式

结合图1，本发明基于差分gps的履带式自主导航机器人，包括左直流无刷电机1、左旋转编码器2、右直流无刷电机3、右旋转编码器4、双直流无刷电机驱动器5、车载天线6、车载板卡7、工业控制计算机8、锂电池组9、网络摄像头10、前gnss接收机11、后gnss接收机12、图数传电台13、3d激光雷达14；

所述双直流无刷电机驱动器5分别通过驱动信号线与左直流无刷电机1、右直流无刷电机3相连，同时驱动左右电机转动。

所述车载板卡7与车载天线6、前gnss接收机11、后gnss接收机12相连，前gnss接收机11、后gnss接收机12直接接收卫星信息，车载天线6接收固定基站通过数据传输电台发出的卫星信息；后gnss接收机12与车载天线6之间的卫星信息进行差分处理，得到定位信息；后gnss接收机12与前gnss接收机11之间的卫星信息进行差分处理，得到定向信息；

所述网络摄像头10通过rj45网口与图数传电台13相连，实现上位机实时监控；

所述3d激光雷达14通过激光发射组件发射激光束，对外界环境进行持续性的扫描，经过测距算法得出三维空间点云数据及物体反射率，使机器人感知周围环境；

所述工业控制计算机8是控制核心：通过串行端口与车载板卡7相连，得到定位定向信息；通过rj45网口与3d激光雷达14相连，进行辅助定位，同时得到障碍物信息；通过串行端口与双直流无刷电机驱动器5相连，用于电机控制；通过串行端口与图数传电台13相连，传输实时位姿信息给上位机，用于构建地图，同时得到上位机遥控信号进行遥控操作。

进一步地，所述左旋转编码器2与左直流无刷电机1机械连接，且左旋转编码器2通过信号线与双直流无刷电机驱动器5相连，右旋转编码器4与右直流无刷电机3机械连接，且右旋转编码器4通过信号线与双直流无刷电机驱动器5相连，实时反馈电机的转速，用于电机转速闭环控制。

结合图2，本发明如所述基于差分gps的履带式自主导航机器人的导航方法，包括以下步骤：

步骤1、轨迹示教

手动遥控履带式机器人运动，实时读取和记录差分gps数据和编码器数据，建立并维护原始轨迹信息，将原始轨迹信息保存为标准文件；

步骤2、轨迹信息修正与优化

通过平滑滤波与拟合算法对原始轨迹进行修正与优化，得到规划轨迹；

步骤3、机器人导航控制

由工业控制计算机8实时读取差分gps数据，得到当前机器人的位姿，与预存的规划轨迹信息进行比较，得到位姿误差，输入到反馈控制律中，得到控制输出，实现轨迹跟踪。

进一步地，还包括以下机器人的障碍物检测与控制的步骤，具体如下：

在机器人行进过程中，使用3d激光雷达14感知周围环境，当检测到有障碍物时，机器人停止行进，并向上位机发出警报；当机器人接收到继续运行指令且检测到行进方向无障碍物时，机器人继续进行自主导航行进。

进一步地，机器人的运行模式包括自主导航与遥控运行两种模式，二者之间的切换方法如下：

当工业控制计算机8接收到自主运行指令时，切换到自主导航模式，工业控制计算机8读取预存的轨迹信息和当前的位姿信息，实现轨迹跟踪；

当工业控制计算机8接收到遥控运行指令时，切换到遥控运行模式，图数传电台13接收遥控端发送的控制指令，工业控制计算机8分析指令，完成相应动作。

进一步地，还包括实时远程监控的步骤，具体如下：

图数传电台13通过网线连接网络摄像头10，传输实时图像，上位机读取图像且显示在屏幕上，完成实时远程监控。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

如图1所示为本发明基于差分gps的履带式自主导航机器人，包括：

左直流无刷电机1、左旋转编码器2、右直流无刷电机3、右旋转编码器4、双直流无刷电机驱动器5、车载天线6、车载板卡7、工业控制计算机8、锂电池组9、网络摄像头10、前gnss接收机11、后gnss接收机12、图数传电台13、3d激光雷达14；所述直流无刷电机较于传统的有刷电机具有换向过程无火花、使用寿命长等优势。所述旋转编码器是集光机电技术于一体的速度位移传感器，其原理是旋转编码器轴带动光栅盘旋转时，经发光元件发出的光被光栅盘狭缝切割成断续光线，并被接收元件接收产生初始信号。该信号经后继电路处理后，输出脉冲或代码信号，最终转化为速度信息。

所述双直流无刷电机驱动器5通过驱动信号线与左直流无刷电机1和右直流无刷电机3相连；左直流无刷电机1与左旋转编码器2机械连接，左旋转编码器2通过信号线与双直流无刷电机驱动器5相连；右直流无刷电机3与右旋转编码器4机械连接，右旋转编码器4通过信号线与双直流无刷电机驱动器5相连；双直流无刷电机驱动器5驱动电机转动；

本发明提供的履带式gps自主导航机器人需要建立地面固定基站，所述基站特点有：体积小、无需机房、安装方便、覆盖范围广、容量较大型基站小。所述车载板卡7与车载天线6、前gnss接收机11、后gnss接收机12相连，前gnss接收机11、后gnss接收机12接收卫星信息，车载天线6接收固定基站通过数传电台发出的卫星信息；后gnss接收机12与车载天线6之间的卫星信息进行差分处理，得到定位信息；后gnss接收机12与前gnss接收机11之间的卫星信息进行差分处理，得到定向信息；具体为：所述前gnss接收机11、后gnss接收机12分别与车载天线6构成gps用户接收设备并接收卫星信息，其原理是捕获按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出车载天线6至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出机器人所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。两个接收机的信息进入车载板卡(7)进行差分处理，可以得到机器人的定向信息。通过前后两个gnss接收机同时接收位置信息，其优点在于：将机器人的定位定向信息记录保存下来，便于上位机控制及自主导航。

所述网络摄像头10通过rj45网口与图数传电台13相连，实现上位机实时监控；将机器人所处环境以视频形式发送，上位机读取并显示在屏幕上实现实时监控。本发明提供的履带式gps自主导航机器人其主要工作在于代替人处理繁重或者条件恶劣的工作，提高工作效率，因此上位机实时监控是机器人工作可靠性及效率的重要保障。

所述3d激光雷达14通过激光发射组件发射高频率激光束，对外界环境进行持续性的扫描，经过测距算法得出三维空间点云数据及物体反射率，使机器人感知周围环境；

所述工业控制计算机8是控制核心，采用windows以及linux双系统，通过串行端口与车载板卡7相连，得到定位定向信息；通过rj45网口与3d激光雷达14相连，进行辅助定位，同时得到障碍物信息；通过串行端口与双直流无刷电机驱动器5相连，用于电机控制；通过串行端口与图数传电台13相连，传输实时位姿信息给上位机，用于构建地图，同时得到上位机遥控信号进行遥控操作。

本发明基于差分gps的履带式自主导航机器人的自主导航方法，包括以下步骤：

步骤1、轨迹示教

手动遥控履带式移动机器人运动，工业控制计算机8接收遥控信息并通过串行端口向直流无刷电机驱动器5发送命令，以此控制直流无刷电机的转速使机器人前进、后退、转向等等。

工业控制计算机(8)同时实时读取和记录差分gps数据和编码器数据，建立并维护原始轨迹信息，将原始轨迹信息保存为标准文件；

步骤2、轨迹信息修正与优化

由于环境问题和手动操作影响，原始遥控得到的轨迹必然存在偏差，通过平滑滤波与拟合算法对原始轨迹进行修正与优化，得到规划轨迹；

步骤3、机器人导航控制

由工业控制计算机8实时读取差分gps数据，得到当前机器人的位姿，与预存的规划轨迹信息进行比较，得到位姿误差，输入到反馈控制律中，得到控制输出，实现轨迹跟踪。

进一步地，机器人的障碍物检测与控制方法，具体如下：

在机器人行进过程中，使用3d激光雷达14感知周围环境，当检测到有障碍物时，机器人停止行进，并向上位机发出警报；当机器人接收到“继续运行”指令且检测到行进方向无障碍物时，机器人继续进行自主导航行进。

进一步地，机器人自主导航与遥控运行两种模式之间的切换方法如下：

当工控机接收到“自主运行”时，切换到自主导航模式，工业控制计算机8读取预存的规划轨迹信息和当前的位姿信息，实现轨迹跟踪；

当工业控制计算机8接收到“遥控运行”时，切换到遥控运行模式，图数传电台(13)接收遥控端发送的控制指令，工业控制计算机(8)分析指令，完成相应动作。

综上所述，本发明驱动方式是两轮差动，通过控制左右直流无刷电机转速进行行进和转向，控制更准确；使用差分gps进行定位处理，减少了电磁干扰的影响，定位定向更准确；机器人与上位机之间的通信稳定性高，控制精准。