CN103592944B - 一种超市购物机器人及其行进路径规划方法 - Google Patents

Abstract

一种超市购物机器人及其行进路径规划方法，所述机器人系统由定位模块、超声波测距模块、控制器模块和电机驱动模块组成；定位模块通过电子罗盘检测超市购物机器人当前姿态角度信息，通过光电编码器记录机器人行进的里程，并将数据传送至控制器模块，由控制器模块利用罗差补偿算法修正角度测量值；超声波测距模块将检测得到的障碍物距离信息传送给控制器模块；控制器模块根据姿态角度与行进里程计算机器人当前位置坐标，结合目标位置和障碍物距离，判断下一步行走模式。本发明提高了机器人姿态角精度，能有效避开静态和动态障碍物，提高了超市购物机器人的智能性、实用性以及环境适应能力。

Description

一种超市购物机器人及其行进路径规划方法

技术领域

本发明涉及一种机器人及其行进路线设定方法，尤其是一种用于大型购物场所使用的载货机器人及其路线规划方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，人们的生活消费水平日益提高，在各城市中出现了数量众多的大型超市，超市购物机器人随之开始出现。超市购物机器人能够快速、自主获取指定的商品，不仅提高了便利性，同时也能够帮助具有运动障碍的人群在超市中购物。因此，研究超市购物机器人具有重要的社会价值和经济价值。

超市购物机器人是一个复杂的多功能系统，其路径规划问题是研究的核心问题之一。根据对地图的认知程度可以分为基于已知地图的全局路径规划和基于地图部分已知或完全未知的局部路径规划。针对超市环境中全局地图已知，顾客走动等突发因素引起的环境多变情况下，超市购物机器人局部路径规划显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种可自行移动并具有避障功能的超市购物机器人及其行进路径规划方法。

本发明一种超市购物机器人，所述机器人系统由定位模块、超声波测距模块、控制器模块和电机驱动模块组成；所述的定位模块中设有电子罗盘和光电编码器；控制器模块与电子罗盘通过I2C总线连接；光电编码器的输出端与控制器模块连接；控制器模块与超声波测距模块采用RS232串口通信方式进行数据传输；控制器模块的输出端与电机驱动模块连接，所述电机驱动模块包括驱动电机以及受驱动电机驱动转动的滚轮。

所述超声波测距模块分为三组，分别安装在机器人的正前方、左前方和右前方；三个超声波测距模块分别与控制器模块接通。

所述超市购物机器人的行进路径规划方法，根据机器人起始位置和目标位置构建机器人的行进路径坐标系；机器人的起始位置为坐标原点，起始位置指向目标位置的直线为Y轴，该方向也是机器人行进路径的主航向；Y轴以起始位置为定点顺时针旋转90度后即为X轴；由定位模块中的电子罗盘获取机器人的位姿角度，由光电编码器获取机器人的行进里程信息；利用罗差补偿法修正机器人位姿角度并计算出机器人当前位置坐标；控制器模块根据机器人的当前位置坐标和超声波测距模块探知的障碍物距离信息来判断机器人的运动模式；所述机器人运动模式分为避障模式和面向目标直行模式；

所述避障模式，机器人通过安装在正前方、左前方和右前方的三个超声波测距模块同时测量障碍物距离，三个超声波测距模块探测得到的障碍物距离信息作为模糊控制算法的输入，运用模糊控制算法计算出机器人下一步转向的角度和行进的距离，控制器模块据此控制机器人的转向和行进距离，完成一次直线段避障移动；此后控制器模块继续判断机器人当前位置是否满足避障模式的脱离条件，如满足条件则机器人进入面向目标直行模式，否则控制器模块继续探测障碍物信息并对机器人进行再次定位、计算转向角和测量行进距离，再次完成一次直线段避障移动；依上述操作直至机器人绕开障碍物，面向目标位置进入直行模式；

所述面向目标直行模式：通过电子罗盘确定机器人已经转至正面面向目标位置，机器人开始直行前进或修正方向后直行前进；光电编码器记录机器人所行进的里程，超声波测距模块实时探测前方障碍物的距离；当遇到障碍物时，机器人系统进入避障模式。

根据机器人当前姿态角度和位置坐标计算虚拟航向回归点，如果虚拟航向回归点的纵坐标值处于当前位置和目标位置纵坐标值之间，且超声波测距模块未探测到障碍物信息，则判定为满足避障模式脱离条件；虚拟航向回归点纵坐标值的计算公式如下，

Y_o=Y_i-X_i×tan(θ)（1）

式（1）中，Y_o为虚拟航向回归点的纵坐标值，Y_i为机器人当前位置坐标的纵坐标值，X_i为机器人当前位置坐标的横坐标值，θ为机器人当前姿态角度值。

使用时，定位模块通过电子罗盘检测超市购物机器人当前姿态角度信息，通过光电编码器记录机器人行进的里程，并将数据传送至控制器模块，由控制器模块利用罗差补偿算法修正角度测量值；超声波测距模块将检测得到的障碍物距离信息传送给控制器模块；控制器模块根据姿态角度与行进里程计算机器人当前位置坐标，结合目标位置和障碍物距离，判断下一步行走模式。

与已有技术相比，本发明的有益效果为：运用电子罗盘和罗差补偿法，提高了超市购物机器人姿态角精度；在遇到未知障碍物时，无需重新进行全局路径规划，能够有效避开静态和动态障碍物，提高了超市购物机器人智能性、实用性以及和环境适应能力。

附图说明

图1是本发明机器人系统的结构框图。

图2是本发明的机器人行进路径流程图。

图3是本发明的机器人避障模式流程图。

图4是本发明的机器人俯视结构简图。

图5是本发明的机器人右视结构简图。

图6是本发明的机器人行进路径的航向原理图。

图7是本发明的机器人行进路径的轨迹图。

图中标号：1为超声波测距模块、2为控制器模块、3为电子罗盘，4为电机驱动模块、5为电动机、6为光电编码器。

具体实施方式

在图1所示的本发明的机器人的结构框图中，所述机器人系统由定位模块、超声波测距模块、控制器模块和电机驱动模块组成；所述的定位模块中设有电子罗盘和光电编码器；控制器模块与电子罗盘通过I2C总线连接；光电编码器的输出端与控制器模块连接；控制器模块与超声波测距模块采用RS232串口通信方式进行数据传输；控制器模块的输出端与电机驱动模块连接，所述电机驱动模块包括驱动电机以及受驱动电机驱动转动的滚轮。所述的电机驱动模块受控制器模块输出的PWM波控制，根据占空比控制左右直流电机的转速。

电子罗盘自身包含放大器、滤波器以及A/D转换模块，根据地磁场方向与电子罗盘参考方向计算出方位角度，并通过I2C总线传送至控制器模块，控制器利用罗差补偿算法对方位角度进行误差补偿。

光电编码器是指安装在机器人变速齿轮上的黑白条纹码盘，通过检测旋转过的条纹数量计算得到机器人行进里程。

超声波测距模块采用时间度越法测量距离，并将距离信息通过RS232串口传送至控制器模块。

所述超声波测距模块分为三组，分别安装在机器人的正前方、左前方和右前方；三个超声波测距模块分别与控制器模块接通。

所述的物机器人行进路径规划方法，根据机器人起始位置和目标位置构建机器人的行进路径坐标系；机器人的起始位置为坐标原点，起始位置指向目标位置的直线为Y轴，该方向也是机器人行进路径的主航向；Y轴以起始位置为定点顺时针旋转90度后即为X轴；由定位模块中的电子罗盘获取机器人的位姿角度，由光电编码器获取机器人的行进里程信息；利用罗差补偿法修正机器人位姿角度并计算出机器人当前位置坐标；控制器模块根据机器人的当前位置坐标和超声波测距模块探知的障碍物距离信息来判断机器人的运动模式；所述机器人运动模式分为避障模式和面向目标直行模式；

所述避障模式，机器人通过安装在正前方、左前方和右前方的三个超声波测距模块同时测量障碍物距离，三个超声波测距模块探测得到的障碍物距离信息作为模糊控制算法的输入，运用模糊控制算法计算出机器人下一步转向的角度和行进的距离，控制器模块据此控制机器人的转向和行进距离，完成一次直线段避障移动；此后控制器模块继续判断机器人当前位置是否满足避障模式的脱离条件，如满足条件则机器人进入面向目标直行模式，否则控制器模块继续探测障碍物信息并对机器人进行再次定位、计算转向角和测量行进距离，再次完成一次直线段避障移动；依上述操作直至机器人绕开障碍物，面向目标位置进入直行模式；

所述面向目标直行模式：通过电子罗盘确定机器人已经转至正面面向目标位置，机器人开始直行前进或修正方向后直行前进；光电编码器记录机器人所行进的里程，超声波测距模块实时探测前方障碍物的距离；当遇到障碍物时，机器人系统进入避障模式。

根据机器人当前姿态角度和位置坐标计算虚拟航向回归点，如果虚拟航向回归点的纵坐标值处于当前位置和目标位置纵坐标值之间，且超声波测距模块未探测到障碍物信息，则判定为满足避障模式脱离条件；虚拟航向回归点纵坐标值的计算公式如下，

Y_o=Y_i-X_i×tan(θ)（1）

式（1）中，Y_o为虚拟航向回归点的纵坐标值，Y_i为机器人当前位置坐标的纵坐标值，X_i为机器人当前位置坐标的横坐标值，θ为机器人当前姿态角度值。

如图2所示，控制器模块通过定位模块和超声波测距模块获得机器人位姿和障碍物距离信息，判断机器人应当处于何种运动模式以及是否满足当前运动模式脱离条件。

机器人开始进行路径规划时，控制器自动进入面向目标直行模式，通过定位模块实时获得电子罗盘参考方向的绝对角度，对其进行罗差补偿得到更准确的角度数据，结合光电编码器得到的行进里程，计算得到机器人当前位置坐标，据此判断是否到达目标点。如果已经到达目标点，则结束此次局部路径规划任务。在局部路径规划过程中，通过超声波测距模块探测障碍物距离，判断机器人是否需要进入避障模式，如果无需进入避障模式则保持面向目标直行模式，否则脱离面向目标直行模式，进入避障模式。当控制器判断机器人可以脱离避障模式时，再次进入面向目标直行模式。

如图3所示，机器人处于避障模式时，控制器模块根据超声波测距模块测得的障碍物距离，利用模糊控制算法计算出下一步机器人需要转过的角度和行进里程，进而控制电机驱动模块驱动机器人实现转向及行进。执行完一步运动后，由定位模块获取的角度和行进里程计算当前位姿角度以及位置坐标，判断是否满足避障模式脱离条件。如果满足，则进入面向目标直行模式，否则再次获取障碍物距离执行前述步骤。

如图4、图5所示，所述机器人系统由定位模块、超声波测距模块、控制器模块和电机驱动模块组成。其中控制器模块采用LPC1752单片机、电动机采用直流电动机。

如图6所示，开始建立机器人坐标系，起始位置为坐标原点（0，0），起始位置与目标位置所在直线为Y轴。在起始位置处顺时针90°方向为X轴正向。在此坐标系中，目标点位置坐标为（0，Y_p)，机器人当前位置为（X_i，Y_i），由定位模块中电子罗盘提供给控制器角度信息，经过罗差补偿后得到当前机器人姿态角度θ。控制器根据机器人当前位置坐标和姿态角度计算出正前方与主航向交点（0，Y_o），即虚拟航向回归点。如果前方没有障碍物并且计算得到的Y_o小于Y_p，则满足脱离避障模式的条件。

如图7所示，假设在起始位置与目标位置之间设置一个圆形障碍物，机器人由起始位置出发时处于面向目标直行模式，遇到障碍物时进入避障模式。当满足脱离避障模式条件时，重新进入面向目标直行模式，最终到达目标点。

Claims (3)

1.一种超市购物机器人，其特征在于：所述机器人系统由定位模块、超声波测距模块、控制器模块和电机驱动模块组成；所述超声波测距模块分为三组，分别安装在机器人的正前方、左前方和右前方，三个超声波测距模块分别与控制器模块接通，超声波测距模块将检测到的障碍物距离信息传递给控制器模块；所述的定位模块中设有电子罗盘和光电编码器；控制器模块与电子罗盘通过I2C总线连接，控制器利用罗差补偿算法对方位角度进行误差补偿；所述光电编码器通过检测旋转过的条纹数量计算机器人行进历程，光电编码器的输出端与控制器模块连接；控制器模块与超声波测距模块采用RS232串口通信方式进行数据传输；控制器模块的输出端与电机驱动模块连接，所述电机驱动模块包括驱动电机以及受驱动电机驱动转动的滚轮。

2.一种超市购物机器人行进路径规划方法，其特征在于：根据机器人起始位置和目标位置构建机器人的行进路径坐标系；机器人的起始位置为坐标原点，起始位置指向目标位置的直线为Y轴，Y轴方向也是机器人行进路径的主航向；Y轴以起始位置为定点顺时针旋转90度后即为X轴；由定位模块中的电子罗盘获取机器人的位姿角度，由光电编码器获取机器人的行进里程信息；利用罗差补偿法修正机器人位姿角度并计算出机器人当前位置坐标；控制器模块根据机器人的当前位置坐标和超声波测距模块探知的障碍物距离信息来判断机器人的运动模式；机器人运动模式分为避障模式和面向目标直行模式；

所述避障模式，机器人通过安装在正前方、左前方和右前方的三个超声波测距模块同时测量障碍物距离，三个超声波测距模块探测得到的障碍物距离信息作为模糊控制算法的输入，运用模糊控制算法计算出机器人下一步转向的角度和行进的距离，控制器模块据此控制机器人的转向和行进距离，完成一次直线段避障移动；此后控制器模块继续判断机器人当前位置是否满足避障模式的脱离条件，如满足条件则机器人进入面向目标直行模式，否则控制器模块继续探测障碍物信息并对机器人进行再次定位、计算转向角和测量行进距离，再次完成一次直线段避障移动，直至机器人绕开障碍物，面向目标位置进入直行模式；

所述面向目标直行模式：通过电子罗盘确定机器人已经转至正面面向目标位置，机器人开始直行前进或修正方向后直行前进；光电编码器记录机器人所行进的里程，超声波测距模块实时探测前方障碍物的距离；当遇到障碍物时，机器人系统进入避障模式。

3.根据权利要求2所述的一种超市购物机器人行进路径规划方法，其特征在于：

根据机器人当前姿态角度和位置坐标计算虚拟航向回归点，如果虚拟航向回归点的纵坐标值处于当前位置和目标位置纵坐标值之间，且超声波测距模块未探测到障碍物信息，则判定为满足避障模式脱离条件；虚拟航向回归点纵坐标值的计算公式如下，

Y_o＝Y_i-X_i×tan(θ)(1)

式(1)中，Y_o为虚拟航向回归点的纵坐标值，Y_i为机器人当前位置坐标的纵坐标值，X_i为机器人当前位置坐标的横坐标值，θ为机器人当前姿态角度值。