专利名称：群机器人无线充电的辅助无线传感网络节点的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种定位方法，特别涉及一种群机器人无线充电的辅助无线传感网络节点。
背景技术：
群机器人系统是多机器人系统的一类，由大量简单自治的机器人组成，其主要通过交互，产生自组织行为，从而实现群体宏观功能的涌现。为实现群机器人的宏观功能涌现，需要首先实现单体机器人的定位、导航、信息交互等基本功能。例如，为实现群机器人合作搬运，首先要求单体机器人能够对自身进行定位，然后根据自身位置用地图信息进行导航，最后通过局部交互，被任务点吸引，单体在任务点集合形成搬运群体，进行联合搬运，这其中定位、导航的精准度尤为重要。
发明内容
本发明是针对群机器人系统中定位、导航的精准度重要的问题，提出了一种群机器人无线充电的辅助无线传感网络节点，用以辅助群机器人的定位、导航、协作。本发明的技术方案为:一种群机器人无线充电的辅助无线传感网络节点，包括从下到上安装的外壳、节点锂电池、节点电路板、磁屏蔽层、电力接收线圈、无线传感网络节点上盖，无线传感网络节点上盖中间有沉头螺丝孔，外壳中间有圆柱通孔，螺丝从上盖通过通孔安装固定于地面上；电力接收线圈紧贴无线传感节点上盖，用于给锂电池感应充电；磁屏蔽层安装在电力接收线圈与节点锂电池之间；外壳内和外边呈锥形，锥形侧涂有反光材料。所述外壳为透明塑料，锥形内侧涂有反光材料。所述外壳锥形外侧涂有反光材料。所述节点电路板包括无线电力接收管理电路、无线传感网络电路、加速度传感器采集电路以及节点锂电池管理电路，其安装在磁屏蔽层下方。所述无线传感网络节点上盖、电力接收线圈、磁屏蔽层均为同心圆环形状，圆环中心孔大小与透明塑料外壳中间圆柱通孔尺寸相配。本发明的有益效果在于:本发明群机器人无线充电的辅助无线传感网络节点，采用贴地安装的方式，节点布置简单方便。符合群机器人活动区域的可伸缩性，覆盖范围可以随时人工扩充；采用无线传感网络系统，节点可以时刻广播自己的坐标位置，机器人参照自身位姿，可以提高图像中路标系统的识别率，降低因路标类似而混淆的可能性；无线传感网络可以通过群机器人进行无线电力补充，位置自标定、地图自形成，提高了无线传感网络的自维持性与自检错性；标定好的位置可以直接存储在节点中，位置数据底层分散存储，保证了人工路标数据的一致性。同时精确的位置信息也有助于无线传感网络的成簇管理算法；无线传感网络节点同时还可以为群机器人提供导航、任务分配、虚拟信息素等其他辅助功能。形成混合群动力系统；本发明设计的节点结构简单、成本低廉、便于大规模生产制造。
图1为本发明无线传感节点结构 图2为本发明无线传感节点剖视 图3为本发明群机器人单体示意 图4为本发明在群机器人附近布置安装多组无线传感网络节点图。
具体实施例方式如图1、2所示无线传感网络节点结构图和剖视图，包括无线传感网络节点上盖1、电力接收线圈2、磁屏蔽层3、节点电路板4、节点锂电池5、透明塑料外壳6。无线传感节点上盖1，不透明，中间有沉头螺丝孔，用于节点的地面安装。电力接收线圈2，用于无线电力传输，给节点内锂电池进行充电。其紧贴无线传感节点上盖I。磁屏蔽层3，用来提高无线电力传输效率。其安装在电力接收线圈2与节点锂电池5之间。节点电路板4，其上有无线电力接收管理电路、无线传感网络电路、加速度传感器采集电路以及节点锂电池管理电路。具有无线充电管理、无线网络收发、节点振动监测、锂电池保护等功能。其安装在磁屏蔽层3下方。透明塑料外壳6，中间有圆柱通孔，用于地面螺丝安装。边缘内、外侧呈锥形，锥形内侧涂有反光材料7，为防止反光对人员视觉干扰，要求无线传感节点上盖I略微覆盖反光材料7。亦可外壳6不用透明塑料，外侧覆盖反光材料7，根据环境要求达到检测的目的即可。无线传感节点上盖I与透明塑料外壳6应该使用强度较高的工程塑料，防止因踩踏造成无线节点的损坏。群机器人对所发明的无线传感网络节点的使用有很多方式:下面逐一对典型应用进行说明:
I)单体机器人对节点的识别与充电维护:
如图3群机器人单体示意图，左侧为所设计的群机器人单体10。右侧为发明的无线传感网络节点20，其平放安装于地面。在节点安装时，设无线传感网络节点20的空间绝对位置已知，即无线传感网络节点20的空间位置已经过标定，然后这些无线传感节点20在空间周期性的发送自身位置信息。机器人上竖直安装全方位反射镜11 (曲面朝下)，透明管12，摄像头13 (镜头朝上)，组成机器人的全方位视觉系统。摄像头需要红外敏感。机器人上安装有一圈红外发射LED14，实际为机器人一周的红外接近测距传感器。红外线通过人工路标锥形反射，形成亮点，被机器人全方位视觉捕获后，通过图像校正、处理，分析、就可获得无线传感网络节点相对机器人的距离与方位。由于无线传感网络的位置已经被事先标定，所以可以反推算出机器人在空间内的位置、姿态。如图4为在群机器人附近布置安装多组无线传感网络节点图，固定排放数个无线传感网络节点20，任意机器人单体10在其中运动，都可测试机器人单体10的位置，在节点距离单体较远时，也可以利用多个节点的无线电强度信息进行单体粗略定位。
机器人单体10外一圈红外LED14可以将附近的节点照得很亮，易于用图像处理进行识别，测距、测向后利用最小二乘或SLAM算法就可以得到机器人单体10的自身位置。虽然单体机器人内部有惯性导航系统，但是加速度计在积分一段时间后，定位精度会变低，当机器人单体10靠近一个节点后，就可以通过图像系统与无线传感系统获得节点的信息，通过数据融合来修正单体机器人使用内部惯导计算出的自身空间位置。机器人底盘配有无线电力传输线圈，可以向无线传感网络节点20的电力接收线圈发送电力。当无线传感节点20电力不足时，可由群机器人骑在其上对无线传感网络节点
20进行充电，维护整体无线网络系统稳定。由于群机器人数量庞大，所以对很多无线传感网络节点20同时充电维护也比较容易。另外，无线传感网络节点20的反光材料7层也有利于机器人充电时对其骑接定位。另外，由于节点仅边缘具有反射层，而且上部还被无线传感节点上盖I遮挡，所以并不会对现场人员视觉干扰。而低矮的机器人又能够利用反光来识别节点的位置。2)群机器人对节点的标定及自身定位:
人工安装节点后，并没有对节点的空间位置进行测量标定，可以利用群机器人对空间内节点自动标定，设原点附近的安装节点经过测量获得了全局空间位置，通过群机器人单体围绕原点移动，同时图像测量已知位置节点与未知节点的相对距离、角度，结合已知节点的全局位置，可以通过数据融合方法获得未知节点的位置，融合方法包括扩展kalman滤波器、粒子滤波等等。并把计算出的未知节点位置通过无线传感网络发送到相应节点中去，便实现了节点位置从未知到已知的转化。以此为基础，机器人向外扩张移动，去标定位置已知、未知边缘的其他未知节点，直到全工作空间的节点位置都被标定为止。利用群机器人同时向各个方向标定，会加速这个过程。在本发明设计的无线节点内部有加速度传感器，当节点松动或非法拆除时，节点内部具有感应。其可通过无线传感网络对途经的群机器人进行通知。然后群机器人会参考其他无线传感网络节点的位置，利用融合算法对改变位置的节点进行重新标定。通过这样使用，可以使本发明节点安装简便，不需要精确测量，群机器人在工作移动的过程中就可以对节点进行位置标定，有利于节点施工安装的进行，并且在日常维护过程中，也容易把位置改变的节点重新标定。在数据融合的过程中，机器人也同时对自身进行定位，所以，本发明设计适合群机器人的同时定位建图(SLAM)。3)群机器人利用节点在全工作空间导航:
群机器人的显著特点就是成本低，这样才能保证能大量生产，但是现实工作环境又十分复杂，例如在工业物流搬运领域使用的AGV，就采用了激光雷达作环境传感，该种传感器价格昂贵，所以很难为每一台群机器人单体安装。可以对群机器人内少量单体安装该类型雷达，形成探测用单体，探测单体通过雷达扫描，所得环境数据可直接用于机器人反应层控制，以保证单体的安全移动。同时，由于单体机器人可以利用节点实现全局定位，所以雷达扫描数据也可以被障碍栅格化，建立栅格地图，该地图可以用于机器人导航使用，通过路径规划算法寻找两点之间的最短路径。但是由于栅格地图要求存储空间巨大，单体无法存储整个工作空间的栅格地图，所以探测单体得以将局部栅格存储在就近的本发明所设计的节点中，当单体机器人经过该节点附近时，就可以从节点中调取环境栅格地图，利用路径规划算法就可以实现在节点附近的局部导航，即从一个节点到另一个节点无碰最优的路径。而把空间所有节点的位置与连通信息打包，存储成为拓扑地图。信息由于高度抽象，全局的节点信息可以轻松的存入单体机器人，其可以作为全局路径规划的地图使用。在机器人根据全局路径从一个节点移动到另一个节点的过程中，单体与邻近节点交互，从节点内部获得局部空间栅格地图，作为单体局部路径规划的地图使用。当节点存储的地图于实际不符时，即当单体按地图局部路径规划行走时无法避开障碍到达目标，可以对节点进行标记，等待探测单体过来更新节点内的局部环境地图。综上所述，群机器人利用本发明做全局空间导航，在群体只装备少量激光雷达的基础上，就可以实现全体机器人的全局路径规划，节省了整体系统成本开销，利用本发明设计的节点，在群机器人的环境建模中起到了至关重要的作用。4)群机器人使用节点进行交互:
群机器人经过节点时可以将自身状态、目的节点、来源节点、到达时间等信息存储在节点中，当其他机器人途径该节点时就可以参考其他机器人的信息来作出自身的决策。
权利要求
1.一种群机器人无线充电的辅助无线传感网络节点，其特征在于，包括从下到上安装的外壳(6)、节点锂电池(5)、节点电路板(4)、磁屏蔽层(3)、电力接收线圈(2)、无线传感网络节点上盖(1)，无线传感网络节点上盖(I)中间有沉头螺丝孔，外壳(6)中间有圆柱通孔，螺丝从上盖通过通孔安装固定于地面上；电力接收线圈(2)紧贴无线传感节点上盖(1)，用于给锂电池感应充电；磁屏蔽层(3)安装在电力接收线圈(2)与节点锂电池(5)之间；外壳(6)内和外边呈锥形，锥形侧涂有反光材料(7)。
2.根据权利要求1所述群机器人无线充电的辅助无线传感网络节点，其特征在于，所述外壳(6)为透明塑料，锥形内侧涂有反光材料(7)。
3.根据权利要求1所述群机器人无线充电的辅助无线传感网络节点，其特征在于，所述外壳(6)锥形外侧涂有反光材料(7)。
4.根据权利要求1所述群机器人无线充电的辅助无线传感网络节点，其特征在于，所述节点电路板(4)包括无线电力接收管理电路、无线传感网络电路、加速度传感器采集电路以及节点锂电池管理电路，其安装在磁屏蔽层(3 )下方。
5.根据权利要求1所述群机器人无线充电的辅助无线传感网络节点，其特征在于，所述无线传感网络节点上盖(I)、电力接收线圈(2)、磁屏蔽层(3)均为同心圆环形状，圆环中心孔大小与透明塑料外壳(6)中间圆柱通孔尺寸相配。
全文摘要
本发明涉及一种群机器人无线充电的辅助无线传感网络节点，包括从下到上安装的透明塑料外壳、节点锂电池、节点电路板、磁屏蔽层、电力接收线圈、无线传感网络节点上盖，无线传感网络节点上盖中间有沉头螺丝孔，透明塑料外壳中间有圆柱通孔，螺丝从上盖通过通孔安装固定于地面上；电力接收线圈紧贴无线传感节点上盖，用于给锂电池感应充电；磁屏蔽层安装在电力接收线圈与节点锂电池之间；透明塑料外壳外边呈锥形，锥形内侧涂有反光材料。用以辅助群机器人的定位、导航、协作。采用贴地安装的方式，节点布置简单方便。成本低廉、便于大规模生产制造。
文档编号H02J7/00GK103117579SQ20131005208
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月18日 优先权日2013年2月18日
发明者刘磊, 吴越鹏, 徐芳, 胥芳初, 周娟, 高岩 申请人:上海理工大学