CN103076802B - 机器人虚拟边界建立与识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人虚拟边界建立与识别方法及系统，该方法包括：S1、机器人上的脉冲激光扫描探测模块匀速扫描一周；S2、判断是否检测到两个或两个以上的信标，若是，执行步骤S3，若否，返回执行步骤S1；S3、判断任意信标间的连线是否为虚拟边界，完成虚拟边界的建立；S4、计算机器人与虚拟边界间的距离，判断最短距离是否小于警戒距离，若是，单片机信息处理模块输出控制信号，控制机器人进行回避。本发明中的机器人虚拟边界建立与识别方法及系统定位精度较高，测量距离较长；由于激光的单色性好，系统抗外界干扰能力强；系统较为简单，成本低，且可靠性强、耗能少、重量轻。

Description

机器人虚拟边界建立与识别方法及系统

技术领域

本发明涉及机器人虚拟边界技术领域，尤其涉及一种机器人虚拟边界建立与识别方法及系统。

背景技术

虚拟边界是用于割草机器人避障、割草及行走的一种非物理边界，它通过安装在割草机器人上的传感器探测信标方位，再通过边界构成算法实现工作区域与非工作区域的识别。

现有的机器人虚拟边界识别技术大致可以分为两类：一种方法是工作前由人工引导机器人行走覆盖整个工作区，并对所有走过的路线进行记录，机器人循着已存储的路线所包围的区域工作或行走。第二种方法是检测只对机器人可视的“虚拟围墙”，即以预先在边界设置标识物作为“虚拟围墙”，机器人通过传感器探测这些边界标志来确定工作区域的边界。

对于第一种方法，在专利US6454036、US4694639中采用示教式的导航方法，通过人工控制割草机器人在工作区域内无遗漏的行走一遍，机器人会对所有走过的路线进行记录，然后沿记录的轨迹运动以完成割草任务。对于这种方式，可以使用单独的定位技术确定机器人当前的位置，也可以根据多种传感器的信息融合来组合定位。但对于GPS等绝对定位技术来说存在定位误差大等缺点，而相对定位虽然在短时间内具有很高的定位精度，但长时间的运行必将会累积大量误差，造成定位错误，以至机器人越界造成事故。尽管可以通过两种定位技术相结合的方式来弥补各自的不足，但定位精度和稳定性方面仍有待提高，并且这种方法也将造成系统的复杂性大大增加，为设计、使用与维护带来诸多不便。

对于第二种方法，国外的一些专利技术给出了几种思路，在布设实物信标方面，美国专利US5163273、US4919224、W09915941中介绍了与AutoMower相似的用电缆包围整个工作区域，然后通电，在工作过程中，机器人通过传感器检查电缆所形成的电磁场来获取边界信息的方法；而在专利JP9135606中，所用方法是在草坪边界设置信标，通过割草机器人上携带的光学传感器探测（岳峰.全区域覆盖自主移动机器人无信标边界生成和识别的研究[D].南京理工大学，2003），进而获取边界信息等。这些方式所共同的优势是割草机器人对边界的识别非常准确，并且用户可以根据自己的需要围成任意形状。且可以将处在区域中的障碍物用电缆围起来，减少避障系统复杂性，对地面环境要求也较低。但这些方式的缺点也是显而易见的，最重要的就是铺设的电缆需要通电，这将会大大降低实用性。而改进的方式则是将电缆换为按照一定距离布设的磁钉，通过机器人所携带的磁场传感器来探测标识物。这种方法具有较强的适应能力，但同样有磁钉脱落的的隐患存在。

有鉴于此，有必要提出一种新的机器人虚拟边界建立与识别方法及系统以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于割草机器人等小型运动装置的虚拟边界建立与识别方法及系统。

本发明的一种机器人虚拟边界建立与识别方法，包括：

S1、机器人上的脉冲激光扫描探测模块匀速扫描一周；

S2、判断是否检测到两个或两个以上的信标，若是，执行步骤S3，若否，返回执行步骤S1；

S3、判断任意信标间的连线是否为虚拟边界，完成虚拟边界的建立；

S4、计算机器人与虚拟边界间的距离，判断最短距离是否小于警戒距离，若是，单片机信息处理模块输出控制信号，控制机器人进行回避。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1具体为：

加电复位时初始化；

通过中断0产生所需的频率信号，控制脉冲激光扫描探测模块旋转，覆盖以割草机器人为圆心，测距为半径的圆形区域；

通过中断1判断脉冲激光扫描探测模块是否转过一周。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1还包括：

计算机器人到标杆的距离以及任意标杆相对于机器人之间的夹角。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3具体为：

以割草机器人当前位置为固定点，获得若干三角形；

根据机器人到标杆的距离以及标杆相对于机器人之间的夹角利用三角形余弦定理求的两信标的距离，判断所得距离是否为预设距离，若是，则两信标间的连线为有效虚拟边界，若否，则两信标间的连线为无效虚拟边界。

作为本发明的进一步改进，所述“判断所得距离是否为预设距离”具体为：

判断两信标间的距离是否满足-4nσ+l²≤m²≤4nσ+l²，其中l为用三角形余弦定理求的两信标的距离，σ为测距的误差量，n为的最大测量距离。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中机器人与虚拟边界间的距离h=x*y*sinα/l，其中x和y分别为机器人到信标之间的距离，α为两信标与机器人的夹角，l为用三角形余弦定理求的两信标的距离，且α=ωt，ω为脉冲激光扫描探测模块的角速度，t为脉冲激光扫描探测模块转过两信标所用的时间。

相应地，一种如权利要求1所述的机器人虚拟边界建立与识别系统，所述系统包括：机器人及分布在真实边界上的若干信标，所述机器人中包括脉冲激光扫描探测模块、单片机信息处理模块以及虚拟边界建立与识别算法模块。

作为本发明的进一步改进，所述信标由金属杆以及围设于金属杆上的反光带构成。

作为本发明的进一步改进，所述脉冲激光扫描探测模块包括激光发射单元、激光接收单元及激光准直与聚焦单元。

本发明的有益效果是：本发明中的机器人虚拟边界建立与识别方法及系统定位精度较高，测量距离较长；由于激光的单色性好，系统抗外界干扰能力强；系统较为简单，成本低，且具有可靠性强、耗能少、重量轻的特点，作为用于割草机器人这样的小型的运动装置的系统非常合适。

附图说明

图1是本发明机器人虚拟边界建立与识别方法的流程示意图；

图2是本发明机器人虚拟边界建立与识别系统的结构示意图；

图3是本发明中信标的结构示意图；

图4是本发明机器人测距范围示意图；

图5是本发明虚拟边界识别原理模型示意图；

图6是本发明有效三角形判断的具体示意图；

图7是本发明机器人到边界之间距离几何模型示意图；

图8是本发明激光测距的原理示意图；

图9是本发明信标中全反射棱镜的工作原理图；

图10是本发明机器人虚拟边界建立与识别方法的具体流程图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1所示，本发明的一种机器人虚拟边界建立与识别方法，优选地，所述机器人为割草机器人包括：

S1、机器人上的脉冲激光扫描探测模块匀速扫描一周，同时计算机器人到标杆的距离以及任意标杆相对于机器人之间的夹角。；

S2、判断是否检测到两个或两个以上的信标，若是，执行步骤S3，若否，返回执行步骤S1；

S3、判断任意信标间的连线是否为虚拟边界，完成虚拟边界的建立具体为：

具体为：

以割草机器人当前位置为固定点，获得若干三角形；

根据机器人到标杆的距离以及标杆相对于机器人之间的夹角利用三角形余弦定理求的两信标的距离，判断所得距离是否为预设距离，若是，则两信标间的连线为有效虚拟边界，若否，则两信标间的连线为无效虚拟边界。其中，“判断所得距离是否为预设距离”具体为：判断两信标间的距离是否满足-4nσ+l²≤m²≤4nσ+l²，其中l为用三角形余弦定理求的两信标的距离，σ为测距的误差量，n为的最大测量距离；

S4、计算机器人与虚拟边界间的距离，判断最短距离是否小于警戒距离，若是，单片机信息处理模块输出控制信号，控制机器人进行回避。其中，机器人与虚拟边界间的距离h=x*y*sinα/l，其中x和y分别为机器人到信标之间的距离，α为两信标与机器人的夹角，l为用三角形余弦定理求的两信标的距离，且α=ωt，ω为脉冲激光扫描探测模块的角速度，t为脉冲激光扫描探测模块转过两信标所用的时间。

进一步地步骤S1具体为：

加电复位时初始化；

通过中断0产生所需的频率信号，控制脉冲激光扫描探测模块旋转，覆盖以割草机器人为圆心，测距为半径的圆形区域；

通过中断1判断脉冲激光扫描探测模块是否转过一周。

相应地，参图2所示，一种机器人虚拟边界建立与识别系统，包括：机器人10及分布在真实边界上的若干信标20，机器人10包括脉冲激光扫描探测模块11、单片机信息处理模块12以及虚拟边界建立与识别算法模块13，进一步地，脉冲激光扫描探测模块11包括激光发射单元、激光接收单元及激光准直与聚焦单元；参图3所示，信标20由金属杆21以及围设于金属杆上的反光带22构成，优选地，在本实施方式中反光带22为全反射棱镜。

信标20以一定间隔散布在割草机器人工作区域的物理边界上，反光带22宽度由脉冲激光扫描探测模块11的工作高度及工作区域不平度确定，主要目的是满足割草环境中脉冲激光扫描探测模块11发射的激光可以被有效反射。脉冲激光扫描探测模块11安装在割草机器人上，由一旋转机构带动作圆周匀速扫描，当在探头旋转的同一周之中检测到两个或两个以上的信标时，可通过虚拟边界建立与识别算法模块13对所测得的标杆之间的连线是否为有效虚拟边界进行判断。当系统判断出边界位置时，就可以求出割草机器人此时相对于边界的距离，并可经过比较从中找出距离最近的边界，在距离小于警戒距离时，单片机信息处理模块12将输出控制信号，控制割草机器人进行回避，以免割草机器人越界。

本实施方式中，虚拟边界即为两根相邻的信标之间的连线所在的直线。机器人上携带的激光探头进行匀速旋转，在调整脉冲激光扫描探测模块的探测距离为合适后，机器人周围将形成一个圆形的可探测区域，参图4所示。该区域的大小可以根据需要进行调整，本优选实施例中选取可探测区域半径为5米。

在探测到机器人与信标之间的距离的同时，还需要对所探测到的标杆相对于机器人之间的夹角进行测量和记录，参图5所示，x、y分别为机器人到标杆的距离，α为它们之间的夹角。通过单片机信息处理模块对脉冲激光扫描探测模块检测到的标杆转过的时间进行测量，在探头匀速旋转的条件下，标杆之间相对于机器人的夹角即可得到。这样就可以建立起一个三角形模型，得到需要的距离和角度参数。

割草机器人通过探测在草坪边界所设置的信标，当检测到两个或两个以上的信标时，机器人将与信标之间建立三角形，通过机器人上配备的单片机信息处理模块和脉冲激光扫描探测模块获得机器人与标杆之间的距离和角度信息，根据建立的模型计算与虚拟边界间的距离。

参图6所示，尽量让相邻的信标杆之间的距离保持一致，理论推导时设为一个固定的常数l。当启动机器人工作时，测距系统开始运行，探测即开始，并把此点作为参考基点。当激光探头在旋转一周的过程中（相对于参考基点），如果割草机器人检测到两个或两个以上的标杆之时，以割草机器人当前位置为固定点，可获得若干三角形。若检测到的标杆数量为a（a>1），可知此时建立三角形数量b为：

$b=\frac{a(a-1)}{2},$

而在这些三角形之中，只有机器人与相邻的标杆之间建立的三角形才是实际与虚拟边界相关的三角形，对应的两信标之间的连线才为实际的虚拟边界，称这些为有效三角形。有效三角形通过判断检测到的信标之间的距离来确定。因为在布设信标的过程中，相邻信标之间的距离是一定的。当获得了割草机器人与信标之间的距离和角度之后，就可以求出两杆之间的距离。当这个距离不满足相邻杆之间距离l时，说明此三角形为无效三角形。

设割草机器人到信标之间的距离分别为x和y，他们之间所夹的角度为α。需要注意的是，激光测距系统在测量时是存在误差的，这将导致根据其所测得的结果计算出的边界长度与实际长度存在偏差，造成无法正确判断所构成的三角形是否为有效三角形。为此，引入一个测距的误差量σ。根据三角形余弦定理，可列出算式：

m²=(x±σ)²+(y±σ)²-2(x±σ)(y±σ)cosα，

将上式展开，得到四种情况：

m₁ ²=x²+2xσ+σ²+y²+2yσ+σ²-2xycosα-2xσcosα-2yσcosα-2σ²cosα；

m₂ ²=x²-2xσ+σ²+y²-y2σ+δ²-2xycosα+2xσcosα+2yσcosα-2σ²cosα；

m₃ ²=x²+2xσ+σ²+y²-2yσ+σ²-2xycosα+2xσcosα-2yσcosα+2σ²cosα；

m₄ ²=x²-2xσ+σ²+y²+2yσ+σ²-2xycosα-2xσcosα+2yσcosα+2σ²cosα，

其中m_i为根据测距系统所测得的实际距离计算出的标杆间的距离。x和y作为割草机器人与信标之间的实际距离，可知：

l²=x²+y²-2xycosα，

所以，上面的算式可表示为：

m₁ ²=2xσ+2yσ+2σ²-2xσcosα-2yσcosα-2σ²cosα+l²，

m₂ ²=-2xσ-2yσ+2σ²+2xσcosα+2yσcosα-2σ²cosα+l²，

m₃ ²=2xσ-2yσ+2σ²+2xσcosα-2yσcosα+2σ²cosα+l²

m₄ ²=-2xσ+2yσ+2σ²-2xσcosα+2yσcosα+2σ²cosα+l²。

简化后，可得：

m₁ ²＝2[(x+y)σ+σ²](1-cosα)+l²；

m₂ ²＝2[(x+y)σ+σ²](1-cosα)+l²；

m₃ ²＝2[(x-y)σ+σ²](1+cosα)+l²；

m₄ ²=2[(x-y)σ+σ²](1+cosα)+l²；

其中α为信标与割草机器人连线的夹角，可以根据单片机测得激光发射探头转过两杆所用的时间t，设激光发射探头的角速度为ω，则α＝ωt。忽略高阶无穷小量σ²，当0≤1-cosα≤1，1≤1+cosα≤2，x和y具有最大值，即激光测距系统的最大测量距离n。所以0≤x+y≤2n，-n≤x-y≤n。综上所述，可得：

-4nσ+l²≤m²≤4nσ+l²

在实际应用中，考虑到用户使用的方便性和经济性等因素，信标的布置不能过密。但同时，过于少的信标又难以准确描述草坪的边界。所以本实施例中将相邻信标间的间距设为3m。

对于激光测距系统来说，探测距离不宜过远。一方面是由于实际测量需要，如果测量距离很长的话将大大增加系统运算量，导致系统不能实时工作。另一方面，远距离测量将需要提高激光脉冲的功率，这样有可能会对使用者造成伤害。故本实施例中将激光测距系统的探测距离定在5m。

对于σ的确定，需要根据测距系统自身的精确度来选择，对于本实施例中的激光测距系统，探测距离在5m左右时，一般测量的误差在±0.15m左右。

关于虚拟边界距离计算，在通过激光测距系统测得的数据判断出有效三角形之后，便可以根据此三角形做几何模型，计算出割草机器人和虚拟边界之间的距离。参图7所示。

设AB=x，AC=y，BC=l，所需求得的机器人到虚拟便捷的距离为三角形的高h。现在已知三角形的两条边AB、AC的长度及它们所夹角α，根据三角形面积公式可得三角形面积：

$S=\frac{1}{2}\mathrm{AB}\·\mathrm{AC}\·\sin \mathrm{\α}$

根据同一三角形面积相等，已知三角形的高的所在边AC的长度l，可得：

$h=\frac{2S}{l},$

进而可得到：

h=x*y*sinα/l，

h即为机器人与虚拟边界之间的距离，通过与给定的安全距离进行比较，可判断是否到达边界。

图8为激光测距的原理示意图，典型的脉冲激光测距系统应具备四个单元：激光发射单元；激光接收单元；距离与方位计算单元；激光准直与聚焦单元。系统工作时，由发射模块发射一束激光脉冲，经待测目标物反射回来，由光电转换装置将光信号转化为电信号后，再由接收单元接收、放大、整形后到距离计算单元进行运算。

脉冲激光测距系统在某点向目标发射一束激光脉冲，当光脉冲碰到目标后，其中一部分脉冲反射回发射点被测距系统光电接收器收到。假设光脉冲在测距点与被测物之间往返一次所用的时间间隔为t，那么系统与被测目标之间的距离D为:

$D=\frac{\mathrm{ct}}{2},$

其中，c为光速。

当近似认为光速一定时(忽略大气中光速的微小变化)，测距精度：

$\mathrm{\ΔD}=\frac{c}{2}\mathrm{\Δt},$

其中，Δt为探测系统时间精度。

对于激光测距系统来说，激光发射器所在直线应与被测物平面保持垂直，因为当激光测距仪相对于被测面处于倾斜状态时，发射器所发射的脉冲经被测面反射后，接收器将接收不到反射信号或只能收到微弱的反射信号，这将会使接收器无法收到足够强的信号，导致检测不到信标位置等问题。所以，本实施例中将在信标的合适高度上加装全反射棱镜，以便机器人在不同角度和位置发射的激光脉冲经棱镜反射都能得到足够强的信号。

横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。图9中的等腰直角三角形ABC表示一个全反射棱镜的截面，它的两个直角边AB和BC表示棱镜上两个互相垂直的侧面。如果光线垂直地射到AB面上，就会沿原来的方向射入棱镜，射到AC面上，由于入射角（45°）大于光从玻璃射入空气的临界角（42°），光会在AC面上发生全反射，沿着垂至于BC的方向从棱镜射出。如果光垂直的入射AC面上，沿原方向射入棱镜后，在AC、BC两个面上都会发生全反射，最后沿着入射时相反地方向入射时相反的方向从AC面上射出。根据这一原理，从不同角度所发射的激光脉冲经全反射棱镜反射后，都将沿原光路方向反射回去，由于割草机器人进行低速移动，光的传播速度远大于车速，发射信号将被接收器接收，以达到探测目的。

本发明中，单片机信息处理模块是本发明中的信息处理单元，具体工作流程图参见图10所示。首先加电复位时初始化硬件单元，通过中断0产生所需的频率信号，控制激光探头旋转，覆盖以割草机器人为圆心，测距为半径的圆形区域；通过中断1判断激光旋转装置是否转过一周，在旋转一周的过程中（对应判断输出为N）测得信标距离信息，当一周内测到多个信标存在时，将按照本发明中提供的算法进行计算与识别，当为有效三角形时，得到虚拟边界信息，提供给割草机器人进行控制，以实现在有效工作区域内工作。

由上述技术方案可以看出，本发明中的机器人虚拟边界建立与识别方法及系统定位精度较高，测量距离较长；由于激光的单色性好，系统抗外界干扰能力强；系统较为简单，成本低，且具有可靠性强、耗能少、重量轻的特点，作为用于割草机器人这样的小型的运动装置的系统非常合适。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种机器人虚拟边界建立与识别方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、机器人上的脉冲激光扫描探测模块匀速扫描一周；具体为：

加电复位时初始化；

通过中断0产生所需的频率信号，控制脉冲激光扫描探测模块旋转，覆盖以割草机器人为圆心，测距为半径的圆形区域；

通过中断1判断脉冲激光扫描探测模块是否转过一周；

S2、判断是否检测到两个以上的信标，若是，执行步骤S3，若否，返回执行步骤S1；

S3、判断任意信标间的连线是否为虚拟边界，完成虚拟边界的建立；

S4、计算机器人与虚拟边界间的距离，判断最短距离是否小于警戒距离，若是，单片机信息处理模块输出控制信号，控制机器人进行回避。

2.根据权利要求1所述的机器人虚拟边界建立与识别方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：

计算机器人到标杆的距离以及任意标杆相对于机器人之间的夹角。

3.根据权利要求2所述的机器人虚拟边界建立与识别方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

以割草机器人当前位置为固定点，获得若干三角形；

根据机器人到标杆的距离以及标杆相对于机器人之间的夹角利用三角形余弦定理求的两信标的距离，判断所得距离是否为预设距离，若是，则两信标间的连线为有效虚拟边界，若否，则两信标间的连线为无效虚拟边界。

4.根据权利要求3所述的机器人虚拟边界建立与识别方法，其特征在于，所述“判断所得距离是否为预设距离”具体为：

判断两信标间的距离是否满足-4nσ+l²≤m²≤4nσ+l²，其中l为用三角形余弦定理求的两信标的距离，σ为测距的误差量，n为的最大测量距离。

5.根据权利要求1所述的机器人虚拟边界建立与识别方法，其特征在于，所述步骤S4中机器人与虚拟边界间的距离h＝x*y*sinα/l，其中x和y分别为机器人到信标之间的距离，α为两信标与机器人的夹角，l为用三角形余弦定理求的两信标的距离，且α＝ωt，ω为脉冲激光扫描探测模块的角速度，t为脉冲激光扫描探测模块转过两信标所用的时间。