发明内容
本发明提出一种成本低,定位准的基于超声波技术的工业机器人运动定位方法及系统。
本发明的技术方案是这样实现的:
基于超声波技术的工业机器人运动定位方法,包括:
根据预定的发射周期发射超声波定位信号,所述定位信号包括:超声波载波和红外载波同步信号,其中红外载波同步信号包括预设的机器人ID以及启动时间;
接收所述红外载波同步信号,根据所述红外载波同步信号获取同步时间;
接收所述超声波载波,根据所述超声波载波获取定位时间;
将所述同步时间、所述机器人ID、所述定位时间以及预设的接收端ID进行封装获得数据包,将所述数据包传输至上位机,传输完成后恢复到初始等待状态;
根据同步时间选取同一机器人至少三组来自不同接收端的数据包进行封装获得封装包;
解析所述封装包,并根据封装包中的数据进行计算后获得每组对应的接收端空间坐标;
根据每组所述机器人ID、所述定位时间以及接收端ID以及所述接收端空间坐标计算获得机器人空间坐标。
优选的,此方法还包括:将空间坐标发送至地图控制系统,并在地图控制系统相应处显示空间坐标位置。
优选的,所述发射周期为30ms-50ms。
优选的,所述接收所述超声波载波,根据所述超声波载波获取定位时间的步骤之前还设有对超声波载波进行滤波。
基于超声波技术的工业机器人运动定位系统,包括:
红外发射器,用于根据预定的发射周期发射红外载波同步信号,其中红外载波同步信号包括预设的机器人ID以及启动时间;
超声波发生器,用于根据预定的发射周期发射超声波载波,且超声波载波与红外载波同步信号同步发射;
红外接收传感器,用于接收所述红外载波同步信号,根据所述红外载波同步信号获取同步时间;
超声波接收传感器,用于接收所述超声波载波,根据所述超声波载波获取定位时间;
第一处理器,用于将所述同步时间、所述机器人ID、所述定位时间以及预设的接收端ID进行封装获得数据包,将所述数据包传输至上位机,传输完成后恢复到初始等待状态;
上位机,用于根据同步时间选取同一机器人至少三组来自不同接收端的数据包进行封装获得封装包;
后台控制系统,解析所述封装包,并根据封装包中的数据进行计算后获得每组对应的接收端空间坐标;
第二处理器,用于根据每组所述机器人ID、所述定位时间以及接收端ID以及所述接收端空间坐标计算获得机器人空间坐标。
优选的,还包括数字地图中央平台,用于根据所述机器人空间坐标可视化的显示器其在地图上的空间坐标位置。
优选的,所述红外发射器,所述超声波发生器以及所述第二处理器固定于工业机器人上。
优选的,所述红外接收传感器,超声波接收传感器以及第一处理器构成接收端;所述接收端设有多个,且多个所述接收端呈扑结构排布。
本发明的技术方案,首先通过红外信号启动接收端,且接收端设有多个,而发射端只有一个,并且接收端与发射端发送的信号均包括其对应的识别编码;使得获取信息时,针对同一个机器人发射出的信号,不同接收端接收后反馈的信号均可以通过识别编码即机器人ID以及接收端ID进行识别,因此不会造成信息的混乱;适用于同时多台机器人操作运行而不会出现错误定位。并且本发明中将发射端设置在机器人端,而接收端则可以设置在天花板或者墙壁上,因此可以缩短信号来回传送的时间,更加精准的获得机器人的空间坐标。且接收端的数量较多,作为静态接收装置,相比于发射端至于天花板上,接收端至于机器人上而言成本大大降低。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参见附图3,基于超声波技术的工业机器人运动定位方法,包括:
根据预定的发射周期发射超声波定位信号,所述定位信号包括:超声波载波和红外载波同步信号,其中红外载波同步信号包括预设的机器人ID以及启动时间(步骤1);接收所述红外载波同步信号,根据所述红外载波同步信号获取同步时间(步骤2);接收所述超声波载波,根据所述超声波载波获取定位时间(步骤3);将所述同步时间、所述机器人ID、所述定位时间以及预设的接收端ID进行封装获得数据包,将所述数据包传输至上位机,传输完成后恢复到初始等待状态(步骤4);根据同步时间选取同一机器人至少三组来自不同接收端的数据包进行封装获得封装包(步骤5);解析所述封装包,并根据封装包中的数据进行计算后获得每组对应的接收端空间坐标(步骤6);根据每组所述机器人ID、所述定位时间以及接收端ID以及所述接收端空间坐标计算获得机器人空间坐标(步骤7)。
下面将详细介绍本发明的各个步骤的具体执行方案的最优选方案,当然不排除可以通过其他方式实现每一步骤,但均属于本发明所公开的方案范畴。
在执行步骤1时,在一个空间中,存在多台机器人同时实用,而要进行无人驾驶,为了使信号传递过程中不造成混乱,因此对每一个机器人都进行编码,即每一个机器人ID都不同;预定的发射周期最佳的为30ms-50ms;当然此时间间隔可以根据实际情况进行调整;超声波载波和红外载波同步发射信号。
在执行步骤2时,红外线的速度是光速,红外载波同步信号快于超声波载波达到,获得同步时间T0。
在执行步骤3时,接收所述超声波载波,根据所述超声波载波获取定位时间T,T是从发射端开始发射超声波到接受端接收到超声波的时间。
在执行步骤4时,由于需要采用至少三点定位,因此接收端有多个,因此为而来将来自不同的接收端的信号分辨出来,同样的,接收端也将预设不同的固定的ID,接收端ID可以包括区间编号以及接收器编号,例如1区为001接收器,则可表示为1#001;因此每个数据包将包括同步时间T0+定时时间T+机器人ID+接收端ID;接收端封包后通过串口总线传输至上位机,且为了不影响下一个设备传过来的数据,在传输完成后,恢复到初始等待状态即马上进行清零。
在执行步骤5时,上位机根据传输过来的同步时间T0和机器人ID选择至少3组来自不同接收端的数据包进行封装;当然为了减少偏差,还可以选择四组数据,第四组数据用于纠正偏差。
在执行步骤6时,解析的过程为分包后者解包的过程,然后根据包中接收端ID获取对应的接收端空间坐标,然后按照机器人的ID在此封装一个完整的数据包发送给机器人;
在执行步骤7时,通过三点定位四点消差的计算方法来计算机器人空间坐标,根据接收端的物理空间坐标(x,y,z)与超声波的定时时间T可由下列公式计算得到目标物的实际坐标。例如,请参加附图1。
在厂房内建立坐标系,以O点为基准点,超声波一个区间的接收端模块坐标点分别为A(x1,y1,z1)、B(x2,y2,z2)、C(x3,y3,z3)、D(x4,y4,z4);x0(x,y,z)点为移动物体坐标点(即为发射端),接收电路模块处于同一平面内,采用三点定位四点消差(误差)的办法来精确的运动物体的坐标;
20℃(厂房中有个温度传感器可以对不同温度下的速率进行调整)下超声波的速率是V=344m/s(米/秒),x0端到各接受端的定时时间为:t1,t2,t3,t4则距离为S1=V*t1,S2=V*t2,S3=V*t3,S4=V*t4
按照系统坐标系可得出移动物体的空间坐标:
(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2=S1 2
(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2=S2 2 (1)
(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2=S3 2
(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2=S1 2
(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2=S2 2 (2)
(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2=S4 2
(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2=S1 2
(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2=S3 2 (3)
(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2=S4 2
(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2=S1 2
(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2=S3 2 (4)
(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2=S4 2
通过(1)、(2)、(3)、(4)四组方程可分别求得移动物体的4组空间坐标(x,y,z),最后4组空间坐标来求均值得出移动物体空间坐标的近似值,以最大可能减少移动物坐标误差。
其中,由于室内的温度会影响超声波波速,例如20℃的波速为344m/s,30℃时为349m/s,其具体对照值请参加附图2。
根据此方法可最终精确的得到被测物的位置信息,且精确度可以达到毫米计。在此需要说明的是,完整的数据包一般包括所述机器人ID、所述定位时间以及接收端ID以及所述接收端空间坐标;例如完整数据包格式:机器人ID+(接收端id1#001+坐标C1#001+定时时间T1&接收端id1#002+坐标C1#002+定时时间T2&接收端id1#003+坐标C1#003+定时时间T3。因为同步时间主要用在上位机收集三组同一台机器人的不同数据包帮助判断,而收齐完后则不再使用,因此最终计算时可以舍弃掉,但是,不代表完整数据包仅仅只能包含这些数据,其也可以根据需要增加其他的数据同时封装发送。
优选的,此方法还包括:将空间坐标发送至地图控制系统,并在地图控制系统相应处显示空间坐标位置,通过空间坐标的显示展示给这样操作人员就明显的观察所有设备所在的运动区,如果那个设备出了问题,也可以及时去那个区的找设备,因此其主要作用可视化的显示运动的机器人,同时操作人员也可对机器人发送控制指令。
优选的,由于超声波容易受到室内温度以及噪音等影响,因此所述接收所述超声波载波,根据所述超声波载波获取定位时间的步骤之前还设有对超声波载波进行滤波。它是对接收到的超声波中的短波、损波进行过滤,那个时间段内;比如是在后台收集到10组同一个机器人发来的数据包,对它进行均值,采用队列中先进先进,后来的补上的方式,本步骤的目的就是提高超声波定位的准确性。
为了更加直观、深入的了解本发明,本发明还提供了与上述犯法对应的基于超声波技术的工业机器人运动定位系统,请参照附图4包括:红外发射器,用于根据预定的发射周期发射红外载波同步信号,其中红外载波同步信号包括预设的机器人ID以及启动时间;超声波发生器,用于根据预定的发射周期发射超声波载波,且超声波载波与红外载波同步信号同步发射;红外接收传感器,用于接收所述红外载波同步信号,根据所述红外载波同步信号获取同步时间;超声波接收传感器,用于接收所述超声波载波,根据所述超声波载波获取定位时间;第一处理器,用于将所述同步时间、所述机器人ID、所述定位时间以及预设的接收端ID进行封装获得数据包,将所述数据包传输至上位机,传输完成后恢复到初始等待状态;上位机,用于根据同步时间选取同一机器人至少三组来自不同接收端的数据包进行封装获得封装包;后台控制系统,解析所述封装包,并根据封装包中的数据进行计算后获得每组对应的接收端空间坐标;第二处理器,用于根据每组所述机器人ID、所述定位时间以及接收端ID以及所述接收端空间坐标计算获得机器人空间坐标。
其中,优选的,所述红外发射器,所述超声波发生器以及所述第二处理器固定于工业机器人上。
其中,优选的,所述红外接收传感器,超声波接收传感器以及第一处理器构成接收端;所述接收端设有多个,且多个所述接收端呈拓扑结构排布。呈拓扑结构的排布可以消除盲区,同时还可以通过在室内增加温度传感器来调整超声波速率进一步消除盲区,增加数据的准确性。
第二处理器中携带有根据厂区实际情况而预设好的地图信息以及需要行走的轨道信息,从而用于指挥自我导航和下一步行动的目的地,在计算获得了机器人空间坐标后用于自主导航,同时优选的,本系统还包括数字地图中央平台,用于根据所述机器人空间坐标可视化的显示器其在地图上的空间坐标位置。预设的地图需要根据实际的厂区情况进行设定,且可以选择将坐标基准点选择为三角位置,即角落位置,从而使后面的位置信息参照时更为精准。
优选的,下面将整个系统的工作过程作具体说明,以便于更加清楚的了解本发明技术方案。但是完成本发明的技术方案的执行系统并非只有下述一种,以下举例为最佳实施例。
因超声波的传播速率影响,适用于慢速移动物体的准确定位。定位精确至毫米级,由于超声波受到环境的影响,所以在实际运用中要考虑环境因素,在室内物体运动道路的上方(天花板)合理位置部署声波接收端,以保证能覆盖到发射端的发射信号。
机器人启动时通过超声波发射端开始发送定位信号,超声波发生器发射超声波载波,红外发射器发射红外载波的同步信息,其包括:机器人ID和启动时间。
红外接收传感器收到红外载波同步信号后,获取一个同步时间T0,启动超声波接收器准备接受超声波载波,超声波接收传感器收到超声载波后获取一个定时时间T,超声波每个接收端都有一个固定ID,包括区间编号+接收器编号,例如1区001接收器:可表示为1#001;形成包含有:同步时间T0+定时时间T+机器人ID+接收端ID的数据信息;接收端将数据信息封包形成数据包立即通过串口总线传输到上位机;接收端传输完数据包后,将接收端数据清零,回到等待状态。
上位机根据传过来的同步时间T0和设备ID选择至少3组不同接收端ID的数据包进行封装后获得封装包通过WIFI传输到后台控制系统,后台控制系统对发过来的封装包解析,根据封装包中的接收端ID获取对应的接收端的空间坐标,按照机器人ID再次封装一个完整的数据包实时发送给对应的机器人,其中后台控制系统与上述方式步骤中所概述的中央数字地图控制平台相关联;在此需要说明的是,本发明中提及的机器人是指可以通过后台控制的智能设备,如AGV小车或者其他的只能设备。第二处理器可以为ARM处理器即微处理器调用三点定位四点消差的算法来计算机器人空间坐标,其算法在前述方法实施例中已经阐述,因此再此不再重复,或者了机器人空间坐标即完成一个周期;这个周期从发射到完成形成了一个闭环,发射端每隔30ms~50ms便发射一次载波;在这段时间内完成这个闭环,很大程度上提高了对运动物体的定位。
本发明技术方案通过红外信号启动接收端,且接收端设有多个,而发射端只有一个,并且接收端与发射端发送的信号均包括其对应的识别编码;使得获取信息时,针对同一个机器人发射出的信号,不同接收端接收后反馈的信号均可以通过识别编码即机器人ID以及接收端ID进行识别,因此不会造成信息的混乱;适用于同时多台机器人操作运行而不会出现错误定位。并且本发明中将发射端设置在机器人端,而接收端则可以设置在天花板或者墙壁上,因此可以缩短信号来回传送的时间,更加精准的获得机器人的空间坐标。且接收端的数量较多,作为静态接收装置,相比于发射端至于天花板上,接收端至于机器人上而言成本大大降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。