一种机器人的运动导航系统的制作方法

本发明属于机器人技术领域，具体地，涉及一种机器人的运动导航系统。

背景技术：

随着科学技术的不断发展，机器人已经渗透到现代社会的各个角落。多种机器人在生活领域得到广泛应用，例如，用于清洁的家用机器人、用于物流搬运的工作机器人、用于安全防范的安保机器人和用于指引方向的向导机器人，等等。对多数机器人应用来说，运动导航系统是关系机器人是否能够自由移动的关键技术问题。

截至目前为止，应用于机器人的运动导航系统已经包括惯性定位系统、视觉定位系统、路标定位系统、磁定位系统和gps定位系统，等等。不同运动导航系统具有各自的优缺点。例如，作为惯性定位系统，属于内置定位系统，数据更新频率高，计算量较小；但时间累积误差较大。作为视觉定位系统，图像数据信息量大，数据更新频率较低，实时性不佳，而且容易受到光线和障碍物影响，应用条件受到限制。作为路标定位系统，图像处理简单，适合作为已知环境的运动导航，性价比较高；但不具备纠错性，路径依赖性强。作为磁定位系统，导航通过磁性原理，简单可靠；但依赖于既有线路，改变较为复杂。作为gps定位系统，动态精度较高，无需基站；但容易受到光线和空间障碍物影响。

随着时代不断进步，应用场景越来越具体化，不同应用场景对机器人的运动导航系统要求也各不相同。但总的来说，一般要求运动导航系统具有即时的响应速度，同时满足足够的定位精度，而且受到外部环境的影响尽可能降至最低，最好能够全天候的自主导航；系统可靠性较好，同时性价比较高。

然而，目前的机器人的运动导航系统仍然难以满足上述要求，迫切需要寻找一种新的机器人的运动导航系统。

技术实现要素：

1.要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种新的机器人的运动导航系统，该系统具有即时的响应速度，同时满足足够的定位精度，而且受到外部环境的影响尽可能降至最低，最好能够全天候的自主导航；系统可靠性较好，同时性价比较高。

2.技术方案

本发明的目的通过以下的技术方案得以实现。

一种机器人的运动导航系统，包括运动定位模块、空间感知模块、路径导引模块、速度调整模块和用户控制模块；其中，

所述运动定位模块用于获取机器人在不同时间步长的位置信息和姿态信息；

所述空间感知模块用于感知机器人运动路径周边的空间信息；

所述路径调整模块用于接收所述运动定位模块的位置和姿态信息以及接收所述空间模块的空间信息，并且根据所述用户控制模块设定的路径自动驱动所述速度调整模块控制机器人运动；

所述速度调整模块通过控制电机的转速从而控制机器人的运动。

根据本发明所述机器人的运动导航系统，其中，所述运动定位模块包括绝对定位子模块和相对定位子模块，二者分别计算的位置和姿态信息通过数据融合模块进行融合。

根据本发明所述机器人的运动导航系统，其中，所述绝对定位子模块包括固定在天花板上的若干基站和固定在机器人运动平台上的两个信号收发装置。

根据本发明所述机器人的运动导航系统，其中，所述基站包括多对信号发射器和信号接收器。

根据本发明所述机器人的运动导航系统，其中，多对信号发射器和信号接收器包括位于所述基站中央的一对信号发射器和信号接收器以及位于所述基站边缘呈中心对称的多对信号发射器和信号接收器。

根据本发明所述机器人的运动导航系统，其中，所述信号收发装置包括位于所述信号收发装置中央的一对信号发射器和信号接收器以及位于所述信号收发装置边缘呈中心对称的多对信号发射器和信号接收器。

根据本发明所述机器人的运动导航系统，其中，所述呈中心对称的多对信号发射器和信号接收器的轴线向外倾斜一定角度。

根据本发明所述机器人的运动导航系统，其中，所述角度为10-30度。

根据本发明所述机器人的运动导航系统，其中，所述基站均匀固定在天花板上；所述两个信号收发装置与所述机器人运动平台几何中心等距且对称。

根据本发明所述机器人的运动导航系统，其中，所述相对定位子系统包括位移传感器和角速度传感器，分别用于获取机器人的位置坐标和角度。

根据本发明所述机器人的运动导航系统，其中，所述空间感知模块为红外传感器。

根据本发明所述机器人的运动导航系统，其中，所述用户控制模块与所述运动导航系统之间通过wifi进行通信。

另一方面，本发明还提供了一种机器人的运动导航方法，包括以下步骤：

1)由相对定位子系统的位移传感器和角速度传感器分别获取机器人时间步长为n+1时的位置坐标和角度，如下所示：

θn+1＝θn+δθ；

其中，xn+1、yn+1和θn+1分别为机器人时间步长为n+1时的位置坐标和角度；xn、yn和θn分别为机器人时间步长为n时的位置坐标和角度；两个时刻处于同一循环周期内；δd和δθ表示从时间步长为n到时间步长为n+1走过的平移位移和角度；

2)由绝对定位子系统进行所述基站和所述信号收发装置的时钟同步，由所述信号收发装置向所述基站发送信号，用来匹配距离所述信号收发装置距离最近的基站的地址码，匹配成功后，将其该最近的基站作为定位和导航的参考坐标原点，然后继续向其余基站发送信号，依次进行地址码的匹配，然后选取两个距离较近的基站与作为参考坐标原点的基站使用三边测量法计算所述信号收发装置的平均位置坐标和角度，如下所示：

其中，x、y和θ分别为机器人时间步长为n+1时的位置坐标和角度；xb1、yb1、xb2和yb2分别为机器人时间步长为n+1时所述两个信号收发装置的位置坐标；

3)通过所述数据融合模块将所述相对定位子系统和所述绝对定位子系统的位置坐标和角度进行融合，如下所示：

其中，所述相对n为所述相对定位子系统确定的机器人时间步长为n时的位置坐标和角度；绝对n+1为所述绝对定位子系统确定的机器人时间步骤为n+1时的位置坐标和角度；融合n+1为所述数据融合模块得到机器人时间步长为n+1时的位置坐标和角度；ω表示融合因子，赋值为0.40-0.80；

4)将所述数据融合模块得到机器人时间步长为n+1时的位置坐标和角度确定为机器人时间步长为n+1时的所述相对定位子系统的起始位置坐标和角度，从而消除所述相对定位子系统的累积误差。

根据本发明所述的机器人的运动导航方法，其中，所述ω的赋值优选为0.45-0.75，更优选为0.50-0.70，以及，最优选为0.55-0.65。

在一个具体的实施方式中，所述ω的赋值为0.60。

在数据融合过程中，融合因子越大，所述绝对定位子系统的位置坐标和角度数据对所述相对定位子系统的位置坐标和角度数据的纠正作用越大。然而，所述绝对定位子系统本身也存在一定误差，故根据各自的数据统计选取合适的误差增益，以获取位置坐标和角度的最优估计。

3.有益效果

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过多对信号发射器和信号接收器并结合其倾斜角度改善了所述基站和所述信号收发装置的信号覆盖范围，提高了所述绝对定位子系统的定位绝对精度，以及定位和导航时的稳定性和抗干扰性。另一方面，本发明的导航系统采用卡尔曼滤波方法对所述绝对定位子系统和所述相对定位子系统的位置坐标信息和角度信息进行数据融合，从而得到基于组合导航的新型导航系统和导航方法；既能够实现足够的相对精度和绝对精度；并且实现良好的实时响应；同时具有较高的可靠性，大大拓宽机器人对工作环境的要求，有利于提高机器人的作业完成量。

附图说明

图1是根据本发明一个优选实施例构成的所述绝对定位子系统的基站和单个信号收发装置的示意图。

图2是根据本发明一个优选实施例构成的所述绝对定位子系统的位置坐标和角度示意图。

图3是根据本发明一个优选实施例构成的所述相对定位子系统的位置坐标和角度示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和具体实施方式对本发明的发明目的、技术方案和有益效果进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本发明，并能够实施本发明。在不违背本发明原理的情况下，各个不同的实施方式中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施方式中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

在一个具体的实施方式中，提供了一种机器人的运动导航系统，包括运动定位模块、空间感知模块、路径导引模块、速度调整模块和用户控制模块；其中，

所述运动定位模块用于获取机器人在不同时间步长的位置信息和姿态信息；

所述空间感知模块用于感知机器人运动路径周边的空间信息；

所述路径调整模块用于接收所述运动定位模块的位置和姿态信息以及接收所述空间模块的空间信息，并且根据所述用户控制模块设定的路径自动驱动所述速度调整模块控制机器人运动；

所述速度调整模块通过控制电机的转速从而控制机器人的运动。

作为机器人，可以为两轮、三轮、四轮或六轮机器人。在一个具体的实施方式中，所述机器人为两轮机器人。机器人左右行走轮上均要安装位移传感器，在每一个循环周期内从机器人底盘电机控制系统中读取各自的脉冲数增量，然后根据机器人行走轮半径可以将脉冲数增量折算为机器人的距离增量。

机器人的角速度传感器采用陀螺仪。在每一个循环周期中通过对陀螺仪数据的积分，可以计算机器人从初始位置开始所转过的角度。

优选地，所述运动定位模块包括绝对定位子模块和相对定位子模块，二者分别计算的位置和姿态信息通过数据融合模块进行融合。

在一个具体的实施方式中，所述绝对定位子模块包括固定在天花板上的若干基站和固定在机器人运动平台上的两个信号收发装置。

优选地，所述基站包括多对信号发射器和信号接收器。

在一个具体的实施方式中，所述基站包括三对信号发射器和信号接收器。在另一个具体的实施方式中，所述基站包括四对信号发射器和信号接收器。在又一个具体的实施方式中，所述基站包括五对信号发射器和信号接收器。在又一个具体的实施方式中，所述基站包括六对信号发射器和信号接收器。

在一个具体的实施方式中，所述信号收发装置包括三对信号发射器和信号接收器。在另一个具体的实施方式中，所述信号收发装置包括四对信号发射器和信号接收器。在又一个具体的实施方式中，所述信号收发装置包括五对信号发射器和信号接收器。在又一个具体的实施方式中，所述信号收发装置包括六对信号发射器和信号接收器。

有利地，每对信号发射器包括一个超声波发射器和一个超声波接收器。

有利地，多对信号发射器和信号接收器包括位于所述基站中央的一对信号发射器和信号接收器以及位于所述基站边缘呈中心对称的多对信号发射器和信号接收器。同样地，所述信号收发装置包括位于所述信号收发装置中央的一对信号发射器和信号接收器以及位于所述信号收发装置边缘呈中心对称的多对信号发射器和信号接收器。

作为呈中心对称的多对信号发射器和信号接收器，它们的轴线向外倾斜一定角度。

有利地，所述角度为10-30度。优选地，所述角度为12-28度；更优选地，所述角度为14-26度，以及最优选地，所述角度为16-24度。

在一个具体的实施方式中，所述角度为20度。

当启动定位或导航功能时，所述信号收发装置首先完成时钟同步，然后通过脉冲信号驱动超声波发射器发射信号，基站上的超声波接收器收到信号后产生反应。基于共振原理，所述基站会产生频率相同的电压信号，然后通过滤波、信号放大和整形，形成标准信号返回系统，从而实现较高的绝对定位精度和导航功能。

不希望局限于任何理论，本发明通过多对信号发射器和信号接收器并结合其倾斜角度改善了所述基站和所述信号收发装置的信号覆盖范围，提高了所述绝对定位子系统的定位绝对精度，以及定位和导航时的稳定性和抗干扰性。

有利地，所述基站均匀固定在天花板上。图1是根据本发明一个优选实施例构成的所述绝对定位子系统的基站1和单个信号收发装置2的示意图。其中，所述基站1的数量为九个。

图2是根据本发明一个优选实施例构成的所述绝对定位子系统的位置坐标和角度示意图。其中，所述信号收发装置的数量为两个，所述两个信号收发装置与所述机器人运动平台几何中心等距且对称。

作为本发明的所述相对定位子系统，有利地，包括位移传感器和角速度传感器，分别用于获取机器人的位置坐标和角度。

作为本发明的所述空间感知模块为红外传感器，它可以检测机器人周围的障碍物并向所述用户控制模块反馈信息。

作为本发明所述用户控制模块，它与所述运动导航系统之间通过wifi进行通信。

另一方面，本发明还提供了一种机器人的运动导航方法，包括以下步骤：

1)图3是根据本发明一个优选实施例构成的所述相对定位子系统的位置坐标和角度示意图。由相对定位子系统的位移传感器和角速度传感器分别获取机器人时间步长为n+1时的位置坐标和角度，如下所示：

θn+1＝θn+δθ；

其中，xn+1、yn+1和θn+1分别为机器人时间步长为n+1时的位置坐标和角度；xn、yn和θn分别为机器人时间步长为n时的位置坐标和角度；两个时刻处于同一循环周期内；δd和δθ表示从时间步长为n到时间步长为n+1走过的平移位移和角度；

2)由绝对定位子系统进行所述基站和所述信号收发装置的时钟同步，由所述信号收发装置向所述基站发送信号，用来匹配距离所述信号收发装置距离最近的基站的地址码，匹配成功后，将其该最近的基站作为定位和导航的参考坐标原点，然后继续向其余基站发送信号，依次进行地址码的匹配，然后选取两个距离较近的基站与作为参考坐标原点的基站使用三边测量法计算所述信号收发装置的平均位置坐标和角度，如下所示：

其中，x、y和θ分别为机器人时间步长为n+1时的位置坐标和角度；xb1、yb1、xb2和yb2分别为机器人时间步长为n+1时所述两个信号收发装置的位置坐标；

3)通过所述数据融合模块将所述相对定位子系统和所述绝对定位子系统的位置坐标和角度进行融合，如下所示：

其中，所述相对n为所述相对定位子系统确定的机器人时间步长为n时的位置坐标和角度；绝对n+1为所述绝对定位子系统确定的机器人时间步骤为n+1时的位置坐标和角度；融合n+1为所述数据融合模块得到机器人时间步长为n+1时的位置坐标和角度；ω表示融合因子，赋值为0.40-0.80；

4)将所述数据融合模块得到机器人时间步长为n+1时的位置坐标和角度确定为机器人时间步长为n+1时的所述相对定位子系统的起始位置坐标和角度，从而消除所述相对定位子系统的累积误差。

其中，所述ω的赋值优选为0.45-0.75，更优选为0.50-0.70，以及，最优选为0.55-0.65。

在一个具体的实施方式中，所述ω的赋值为0.60。

在数据融合过程中，融合因子越大，所述绝对定位子系统的位置坐标和角度数据对所述相对定位子系统的位置坐标和角度数据的纠正作用越大。然而，所述绝对定位子系统本身也存在一定误差，故根据各自的数据统计选取合适的误差增益，以获取位置坐标和角度的最优估计。

不希望局限于任何理论，本发明的导航方法能够实现足够的相对精度和绝对精度；并且实现良好的实时响应；同时具有较高的可靠性，大大拓宽机器人对工作环境的要求，有利于提高机器人的作业完成量。

为了验证根据本发明所述的运动导航系统，使用上述最优选的实施方式构成的技术方案，将两轮驱动的机器人置于水平地面，并且选择平整的测试地面，运动轨迹为3m×3m的正方形，选择20个坐标点，对该系统的精度进行测试，结果表明，机器人平移速度在0.1-0.5m之间时，位置坐标的误差在2.1-4.7cm之间，角度误差在4°以内，远小于改进前的误差。

与现有技术相比，本发明通过多对信号发射器和信号接收器并结合其倾斜角度改善了所述基站和所述信号收发装置的信号覆盖范围，提高了所述绝对定位子系统的定位绝对精度，以及定位和导航时的稳定性和抗干扰性。另一方面，本发明的导航系统采用卡尔曼滤波方法对所述绝对定位子系统和所述相对定位子系统的位置坐标信息和角度信息进行数据融合，从而得到基于组合导航的新型导航系统和导航方法；既能够实现足够的相对精度和绝对精度；并且实现良好的实时响应；同时具有较高的可靠性，大大拓宽机器人对工作环境的要求，有利于提高机器人的作业完成量。

尽管在上文中参考特定的实施方式对本发明进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本发明公开的原理和范围内，可以针对本发明公开的配置和细节做出许多修改。本发明的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。