CN104750115A - 一种移动设备的激光主动式导航系统及导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种移动设备的激光主动式导航系统及导航方法，有助于扩大应用场所。所述系统包括：激光导航基站、上位机和安装在移动设备上的导航偏差传感器；所述导航偏差传感器包括：接收屏；所述激光导航基站包括：激光测距仪；所述导航偏差传感器，用于确定激光测距仪射在接收屏上的激光点的位置相对于接收屏正中心的偏差信息；所述上位机，用于根据所述偏差信息，修正移动设备的行驶方向；所述激光导航基站，用于根据所述偏差信息及预先存储在所述激光导航基站中的规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机转角的映射关系，对移动设备进行主动式导航。本发明适用于导航技术领域。

Description

一种移动设备的激光主动式导航系统及导航方法

技术领域

本发明涉及导航技术领域，特别是指一种移动设备的激光主动式导航系统及导航方法。

背景技术

近年来，在大多数移动设备的运行中，导航系统作为移动设备自主行驶的核心，对移动设备的安全行驶，具有重要意义。同时，由于激光具有定向发光、光束集中和亮度高等特点，结合规划的路径，使得采用多个导航基站联合进行激光主动式导航，确保移动设备的安全、精确的自主行驶。

现有的导航技术包括：绝对式导航与相对式导航以及两者综合的即时定位与地图构建(simultaneous localization and mapping，SLAM)技术等，其中以相对式导航技术发展的较为成熟。现有技术公开了一种采用地下潜行时采用捷联式惯性导航系统(strap-down inertial navigation system，SINS)/多普勒计程仪(Doppler Velocity Log，DVL)组合导航、同时定期上浮引入全球定位系统(Global Positioning System，GPS)信息进行卡尔曼滤波融合的新型组合导航方法；还公开了一种通过以激光扫描仪为检测设备对果树位置信息实时采集，规划车辆导航路径，实现了果园机械的自动导航方法。但是，上述现有的导航技术仅能适用于室外环境，或者需要结合室外环境，应用场所具有局限性；且仅能利用激光设备(例如，激光测距仪)进行定位信息处理，不能以其来直接引导移动设备的行驶。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种移动设备的激光主动式导航系统及导航方法，以解决现有技术所存在的导航技术的应用场所具有局限性，且不能直接引导移动设备进行行驶的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种移动设备的激光主动式导航系统，包括：激光导航基站、上位机和安装在移动设备上的导航偏差传感器；所述导航偏差传感器包括：接收屏；所述激光导航基站包括：激光测距仪；

所述导航偏差传感器，用于确定激光测距仪射在接收屏上的激光点的位置相对于接收屏正中心的偏差信息；

所述上位机，用于根据所述偏差信息，修正移动设备的行驶方向；

所述激光导航基站，用于根据所述偏差信息及预先存储在所述激光导航基站中的规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机转角的映射关系，对移动设备进行主动式导航。

可选地，所述偏差信息包括：激光点位于接收屏的中心，激光点位于接收屏的左侧，激光点位于接收屏的右侧；

当激光点位于接收屏的中心时，移动设备的行驶方向与规划路径一致，由所述上位机控制移动设备保持当前状态行走；

当激光点位于接收屏的左侧时，移动设备的行驶方向在规划路径右侧，由所述上位机控制移动设备向左旋转消除激光点相对于接收屏正中心的偏差信息；

当激光点位于接收屏的右侧时，移动设备的行驶方向在规划路径左侧，由所述上位机控制移动设备向右旋转消除激光点相对于接收屏正中心的偏差信息。

可选地，所述激光导航基站还包括：水平轴伺服电机，垂直轴伺服电机及基站电气柜；

所述激光导航基站，用于根据所述偏差信息及预先存储在激光导航基站中的规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机转角的映射关系，利用激光直线插补引导方式，通过基站电气柜发出控制指令驱动水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机带动激光测距仪进行旋转对移动设备进行主动式导航，引导移动设备完成规划路径的复现动作；

所述激光直线插补引导方式包括：

步骤1，根据规划路径，获取移动设备所要到达的下一规划目标位置B，B为规划路径中的轨迹点，并结合移动设备所处位置A、激光导航基站所处位置C三点位置的坐标信息，确定向量AB，AB向量方向为移动设备的行驶方向；

步骤2，将所述A、B、C三点位置的坐标信息，移动设备当前的行驶速度及其前一时刻位置坐标信息，代入行驶运动学模型，确定激光导航基站水平伺服电机的偏转角∠A₁CA：

其中，A₁为激光测距仪发出的激光束应当指向接收屏上的的位置；

步骤3，根据所述偏转角∠A₁CA，驱动水平伺服电机旋转指定的角度，旋转完成后，更新A点坐标，返回步骤1，直至引导移动设备完成规划路径的复现动作。

可选地，当移动设备作匀速直线运动或匀速圆周运动时，激光导航基站水平伺服电机的偏转角∠L_n+1CL_n：

其中，C为激光导航基站所处位置，L_n为接收屏中心处于A_n时，激光测距仪发出的激光束应当指向接收屏上的位置，L_n+1为接收屏中心处于A_n+1时，激光测距仪发出的激光束应当指向接收屏上的位置，接收屏中心依次经过A_n-2,A_n-1,A_n，A_n+1为移动设备保持当前状态行走，△t时间激光测距仪测量时的移动设备位置。

可选地，所述导航偏差传感器还包括：相机、视频处理器及箱体；

所述箱体，一面用于安装所述接收屏，并在其对面安装所述相机；

所述相机，用于采集激光测距仪发出的激光束射在相机CCD感光元件上的成像信息；

所述视频处理器，用于根据相机传回的成像信息，检测出激光点，并确定该激光点与接收屏中心的偏差信息，并将该偏差信息发送至所述上位机。

可选地，所述水平轴伺服电机和垂直轴伺服电机的旋转方向为正交，通过水平轴伺服电机和垂直轴伺服电机的旋转带动激光测距仪进行旋转使其发出的激光束通过水平轴伺服电机和垂直轴伺服电机的直径。

可选地，所述基站电气柜包括：运动控制器、驱动器、无线通信转接板、电源模块；

所述电源模块，用于为基站电气柜提供电源；

无线通信转接板，用于与导航偏差传感器进行通信，获取接收屏上的激光点的位置相对于接收屏正中心的偏差信息；

所述运动控制器，用于根据所述偏差信息，发出控制指令驱动驱动器带动水平轴伺服电机和垂直轴伺服电机进行旋转。

可选地，预先在移动设备的工作场地确定坐标原点建立系统坐标系，在系统坐标系内测量所述激光导航基站的坐标及激光测距仪发出的激光束初始的水平转角及俯仰转角。

本发明实施例还提供一种移动设备的激光主动式导航方法，包括：

通过导航偏差传感器确定激光测距仪射在导航偏差传感器的接收屏上的激光点的位置相对于接收屏正中心的偏差信息；

根据所述偏差信息，通过上位机修正移动设备的行驶方向；

根据所述偏差信息及规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机转角的映射关系，通过基站电气柜驱动水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机带动激光测距仪进行旋转对移动设备进行主动式导航，引导移动设备完成规划路径的复现动作。

可选地，所述引导移动设备完成规划路径的复现动作包括：

利用激光直线插补引导方式引导移动设备完成规划路径的复现动作；

所述激光直线插补引导方式包括：

步骤1，根据规划路径，获取移动设备所要到达的下一规划目标位置B，B为规划路径中的轨迹点，并结合移动设备所处位置A、激光导航基站所处位置C三点位置的坐标信息，确定向量AB，AB向量方向为移动设备的行驶方向；

步骤2，将所述A、B、C三点位置的坐标信息，移动设备当前的行驶速度及其前一时刻位置坐标信息，代入行驶运动学模型，确定激光导航基站水平伺服电机的偏转角∠A₁CA：

其中，A₁为激光测距仪发出的激光束应当指向接收屏上的的位置；

步骤3，根据所述偏转角∠A₁CA，驱动水平伺服电机旋转指定的角度，旋转完成后，更新A点坐标为B，返回步骤1，直至引导移动设备完成规划路径的复现动作。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过导航偏差传感器确定激光测距仪射在导航偏差传感器的接收屏上的激光点的位置相对于接收屏正中心的偏差信息，并由移动设备上载有的上位机，根据所述偏差信息，实时修正移动设备的行驶方向，并根据所述偏差信息及预先存储在所述激光导航基站中的规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机转角的映射关系，通过激光导航基站对移动设备进行主动式导航引导移动设备完成规划路径的复现动作。这样，通过激光主动引导移动设备完成规划路径的复现动作，不仅适用于室外环境，同时适用于室内，应用场所更加广泛；同时将规划路径的轨迹点与激光导航基站中的水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机转角的关系进行映射表示，使得激光导航基站的引导控制算法更加简单、精确，并且在移动设备上只需安装导航偏差传感器，成本小。

附图说明

图1为激光主动式导航工作原理图；

图2为本发明实施例提供的激光导航基站结构图；

图3为移动设备的运动轨迹与激光导航基站动作序列映射关系示意图；

图4为激光点与接收屏的三种相对位置关系；

图5为激光直线插补引导方式原理示意图；

图6为移动设备匀速直线运动示意图；

图7为移动设备匀速圆周运动示意图；

图8为导航偏差传感器结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的导航技术的应用场所具有局限性，且不能直接引导移动设备1进行行驶的问题，提供一种移动设备的激光主动式导航系统及导航方法。

实施例一

参看图1、图2所示，本发明实施例提供的移动设备的激光主动式导航系统，包括：激光导航基站3、上位机和安装在移动设备1上的导航偏差传感器4；所述导航偏差传感器4包括：接收屏10；所述激光导航基站3包括：激光测距仪5；

所述导航偏差传感器4，用于确定激光测距仪5射在接收屏10上的激光点9的位置相对于接收屏10正中心的偏差信息；

所述上位机，用于根据所述偏差信息，修正移动设备1的行驶方向；

所述激光导航基站3，用于根据所述偏差信息及预先存储在所述激光导航基站3中的规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机8及垂直轴伺服电机7转角的映射关系，对移动设备1进行主动式导航。

本发明实施例所述的移动设备的激光主动式导航系统，通过导航偏差传感器4确定激光测距仪5射在导航偏差传感器4的接收屏10上的激光点9的位置相对于接收屏10正中心的偏差信息，并由移动设备1上载有的上位机，根据所述偏差信息，实时修正移动设备1的行驶方向，并根据所述偏差信息及预先存储在所述激光导航基站3中的规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机8及垂直轴伺服电机7转角的映射关系，通过激光导航基站3对移动设备1进行主动式导航引导移动设备1完成规划路径的复现动作。这样，通过激光主动引导移动设备1完成规划路径的复现动作，不仅适用于室外环境，同时适用于室内，应用场所更加广泛；同时将规划路径的轨迹点与激光导航基站3中的水平轴伺服电机8及垂直轴伺服电机7转角的关系进行映射表示，使得激光导航基站3的引导控制算法更加简单、精确，并且在移动设备1上只需安装导航偏差传感器4，成本小。

本发明实施例所述的移动设备的激光主动式导航过程，实质为离线示教与示教轨迹复现过程，其中，移动设备1上载有的计算机路径规划软件在其中担当离线示教软件的角色，在完成规划路径的设计后，将规划路径中的轨迹点序列传输给激光导航基站3，由激光导航基站3以激光方式引导移动设备1完成规划轨迹的复现动作，也就是移动设备1在激光主动式导航下的循迹行驶过程。

本发明实施例中，参见图3所示为移动设备1的运动轨迹与激光导航基站3动作序列映射关系示意图，移动设备1的运动轨迹可以用平面中正交的维度坐标x、y确定，即{(x,y)|(x₀,y₀),(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_n,y_n)}，在激光主动式导航的过程中，规划路径的轨迹点所形成的轨迹点序列集合与激光导航基站3的水平轴伺服电机8及垂直轴伺服电机7转角形成了一个映射关系，即：给定任意一个移动设备1的激光点9坐标就可以找到一组电机(水平轴伺服电机8及垂直轴伺服电机7)转角，但是从电机转角所组成的转角集合到移动设备1的坐标集合却不一定可以形成映射。

在前述移动设备的激光主动式导航系统的具体实施方式中，可选地，所述偏差信息包括：激光点9位于接收屏10的中心，激光点9位于接收屏10的左侧，激光点9位于接收屏10的右侧；

当激光点9位于接收屏10的中心时，移动设备1的行驶方向与规划路径一致，由所述上位机控制移动设备1保持当前状态行走；

当激光点9位于接收屏10的左侧时，移动设备1的行驶方向在规划路径右侧，由所述上位机控制移动设备1向左旋转消除激光点9相对于接收屏10正中心的偏差信息；

当激光点9位于接收屏10的右侧时，移动设备1的行驶方向在规划路径左侧，由所述上位机控制移动设备1向右旋转消除激光点9相对于接收屏10正中心的偏差信息。

本发明实施例，激光主动式导航过程中，激光点9在接收屏10上位置与导航偏差传感器4的接收屏10的中心存在三种相对位置关系，参看图4(a)所示，当激光点9位于屏幕左侧时，移动设备1的行驶方向在规划路径右侧，由上位机控制移动设备1向左旋转消除激光点9相对于接收屏10正中心的偏差信息，从而纠正移动设备1的行驶方向；参看图4(b)所示，当激光点9处于屏幕中部时，移动设备1的行驶方向与规划路径一致，由所述上位机控制移动设备1保持当前状态行走；参看图4(c)所示，若激光点9位于屏幕右侧时，移动设备1的行驶方向在规划路径左侧，由上位机控制移动设备1向右旋转消除激光点9相对于接收屏10正中心的偏差信息，从而使得移动设备1回到规划的路径方向，这样，就达到了激光主动式导航的目的。

在前述移动设备的激光主动式导航系统的具体实施方式中，可选地，所述激光导航基站3还包括：水平轴伺服电机8，垂直轴伺服电机7及基站电气柜；

所述激光导航基站3，用于根据所述偏差信息及预先存储在激光导航基站3中的规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机8及垂直轴伺服电机7转角的映射关系，利用激光直线插补引导方式，通过基站电气柜发出控制指令驱动水平轴伺服电机8及垂直轴伺服电机7带动激光测距仪5进行旋转对移动设备1进行主动式导航，引导移动设备1完成规划路径的复现动作；

所述激光直线插补引导方式包括：

步骤1，根据规划路径，获取移动设备1所要到达的下一规划目标位置B，B为规划路径中的轨迹点，并结合移动设备1所处位置A、激光导航基站3所处位置C三点位置的坐标信息，确定向量AB，AB向量方向为移动设备1的行驶方向；

步骤2，将所述A、B、C三点位置的坐标信息，移动设备1当前的行驶速度及其前一时刻位置坐标信息，代入行驶运动学模型，确定激光导航基站3水平伺服电机的偏转角∠A₁CA：

其中，A₁为激光测距仪5发出的激光束应当指向接收屏10上的的位置；

步骤3，根据所述偏转角∠A₁CA，驱动水平伺服电机旋转指定的角度，旋转完成后，更新A点坐标，返回步骤1，直至引导移动设备1完成规划路径的复现动作。

本发明实施例中，参看图2所示，所述激光导航基站3还包括：用于安装激光测距仪5的激光测距仪固定支架6，水平轴伺服电机8，垂直轴伺服电机7，其中，水平轴伺服电机8，垂直轴伺服电机7之间采用L形弯板进行连接，以保证水平轴伺服电机8，垂直轴伺服电机7的旋转轴线垂直相交。

本发明实施例所述的激光主动式导航的实质是对离线示教所得的示教轨迹做直线插补，进行点到点的控制。参见图5所示，图中B_i(B_-1，B₀，B₁，B₂，…)为预先确定的规划路径中的轨迹点序列，规划路径的运动方向为下标从小到大，A点为移动设备1所处位置，规划路径中的轨迹点B点为移动设备1所要到达的下一规划目标位置，C点为激光导航基站3所处位置。图5中的情形为：由于执行误差或其他原因，移动设备1并不在任何规划路径的轨迹点2上，此时激光导航基站3已经完成定位，正将移动设备1引导至B点。

本发明实施例中，参见图5所示，利用激光直线插补引导方式，结合已规划路径，完成激光对移动设备1的主动式导航。激光直线插补引导算法分为以下3个步骤：①获取下一个规划目标位置B；已知A、B、C三点位置的坐标信息，求出向量AB，AB向量方向即为移动设备1的行驶方向；②根据ABC三点位置的坐标信息、移动设备1当前的行驶速度及其前一时刻位置坐标信息，代入行驶运动学模型，通过式(1)计算激光导航基站3水平伺服电机的偏转角∠A₁CA：

    式(1)

式(1)中，A₁为激光测距仪5发出的激光束应当指向接收屏10上的的位置；

③根据②计算的偏转角驱动水平伺服电机旋转指定的角度，旋转完成后，更新A点坐标，返回①，直至引导移动设备1完成规划路径的复现动作。本发明中的规划路径充分考虑到移动设备1的运动学模型，同时由于激光主动式导航具备高精度特性，从而兼具绝对式导航与相对式导航的优点，保证移动设备1能够顺利准确地按照规划路径行驶。

在前述移动设备的激光主动式导航系统的具体实施方式中，可选地，当移动设备1作匀速直线运动或匀速圆周运动时，激光导航基站3水平伺服电机的偏转角∠L_n+1CL_n：

其中，C为激光导航基站3所处位置，L_n为接收屏10中心处于A_n时，激光测距仪5发出的激光束应当指向接收屏10上的位置，L_n+1为接收屏10中心处于A_n+1时，激光测距仪5发出的激光束应当指向接收屏10上的位置，接收屏10中心依次经过A_n-2,A_n-1,A_n，A_n+1为移动设备1保持当前状态行走，△t时间激光测距仪5测量时的移动设备1位置。

本发明是实施例中，在路径规划的过程中，充分考虑了移动设备1的运动学，使得规划路径包括：直线和不同曲率的圆弧。在计算移动设备1的运动轨迹与激光导航基站3动作序列映射关系的过程中，可以设定移动设备1匀速圆周运动或匀速直线运动，且运动速率已知，设为v。在主动式导航的过程中，既要满足激光束不能脱离导航偏差传感器4，又要保证激光束与接收屏10中心有着正确的相对位置，这就需要在考虑移动设备1行驶速度的前提下，准确计算出与规划路径的轨迹点2与相映射的激光导航基站3动作序列。

本发明实施例中，假设导航偏差传感器4的接收屏10中心依次经过A_n-2,A_n-1,A_n，而A_n+1为移动设备1保持当前状态行走，激光测距仪5下一次测量时(△t时间后)的移动设备1位置，B为规划路径的轨迹点2，L_n+1为激光测距仪5应当指向屏幕上的位置。接收屏10中心到激光束的距离△x与移动设备1行驶的航向偏差角△θ的关系为式(2)：

$\mathrm{\Δx}=\frac{2W}{\mathrm{\π}}\mathrm{\Δ\θ}$     式(2)

式(2)中，2W为接收屏10的宽度。

参看图6所示为移动设备1(例如，车辆)作匀速直线运动的情形，设由激光定位算法确定点L_n坐标，L_n为接收屏10中心处于A_n时，激光测距仪5发出的激光束应当指向接收屏10上的位置，接收屏10中心处于A_n时，激光测距仪5射在接收屏10上的激光点9的位置相对于接收屏10正中心的偏差向量与移动设备1行走方向满足式(3)：

    式(3)

其中，b_n为接收屏10上的激光点9至接收屏10中心的距离，根据式(3)，确定A_n坐标，并根据移动设备1当前状态，预测下一时刻(△t时间后)A_n+1位置，从而确定L_n+1坐标。

参看图7所示为移动设备1(例如，车辆)绕O点匀速圆周运动的情形，与移动设备1作匀速直线运动的情形类似，求出L_n+1坐标。

通过式(4)确定移动设备1作匀速直线运动或匀速圆周运动时，激光导航基站3水平伺服电机的偏转角∠L_n+1CL_n：

    式(4)

在前述移动设备的激光主动式导航系统的具体实施方式中，可选地，所述导航偏差传感器4还包括：相机12、视频处理器13及箱体11；

所述箱体11，一面用于安装所述接收屏10，并在其对面安装所述相机12；

所述相机12，用于采集激光测距仪5发出的激光束射在相机12CCD感光元件上的成像信息；

所述视频处理器13，用于根据相机12传回的成像信息，检测出激光点9，并确定该激光点9与接收屏10中心的偏差信息，并将该偏差信息发送至所述上位机。

本发明实施例中，参看图8所示，所述导航偏差传感器4不仅包括接收屏10，还包括相机12、视频处理器13及箱体11，其中，接收屏10垂直于水平面安装，且法线与移动设备1直行方向平行，相机12安装在激光接收屏10的内侧，保证整个接收屏10均落在相机12的视野内。导航偏差传感器4确定激光测距仪5射在接收屏10上的激光点9的位置相对于接收屏10正中心的偏差信息具体过程为：将所述激光主动式导航的激光测距仪5发出的激光束直接照射在移动设备1的导航偏差传感器4的接收屏10上，同时会在相机12CCD感光元件上成像，并由所述视频处理器13根据相机12传回的成像信息，检测出激光点9，并确定该激光点9与接收屏10中心的偏差信息，并将所述偏差信息发送至移动设备1载有的上位机。由所述上位机根据接收到偏差信息发出控制指令改变移动设备1的行驶方向来消除激光点9与接收屏10中心的偏差信息，从而使移动设备1沿规划路径行驶。

在前述移动设备的激光主动式导航系统的具体实施方式中，可选地，所述水平轴伺服电机8和垂直轴伺服电机7的旋转方向为正交，通过水平轴伺服电机8和垂直轴伺服电机7的旋转带动激光测距仪5进行旋转使其发出的激光束通过水平轴伺服电机8和垂直轴伺服电机7的直径。

本发明实施例中，采用旋转方向正交的二维同步伺服电机(水平轴伺服电机8和垂直轴伺服电机7)作为原动机，保证激光导航基站3的运动自由度，并保证激光导航基站3载有的激光测距仪5射出的激光束通过两个电机的直径，简化了控制激光导航基站3的建模与控制算法的复杂度。

在前述移动设备的激光主动式导航系统的具体实施方式中，可选地，所述基站电气柜包括：运动控制器、驱动器、无线通信转接板、电源模块；

所述电源模块，用于为基站电气柜提供电源；

无线通信转接板，用于与导航偏差传感器4进行通信，获取接收屏10上的激光点9的位置相对于接收屏10正中心的偏差信息；

所述运动控制器，用于根据所述偏差信息，发出控制指令驱动驱动器带动水平轴伺服电机8和垂直轴伺服电机7进行旋转。

本发明实施例中，所述电源模块可以为24v开关电源模块，用于为基站电气柜供电，所述无线通信转接板用于与导航偏差传感器4进行通信，使得运动控制器能够获取接收屏10上的激光点9的位置相对于接收屏10正中心的偏差信息，并根据所述偏差信息生成控制指令，驱动驱动器带动水平轴伺服电机8和垂直轴伺服电机7进行旋转并使得激光测距仪5发出的激光束射在导航偏差传感器4的接收屏10，对移动设备1进行主动式导航，引导其完成规划路径的复现动作。

在前述移动设备的激光主动式导航系统的具体实施方式中，可选地，预先在移动设备1的工作场地确定坐标原点建立系统坐标系，在系统坐标系内测量所述激光导航基站3的坐标及激光测距仪5发出的激光束初始的水平转角及俯仰转角。

本发明实施例中，在根据接收屏10上的激光点9的位置相对于接收屏10正中心的偏差信息及规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机8及垂直轴伺服电机7转角的映射关系对移动设备1进行主动式导航之前，需预先在移动设备1的工作场地确定坐标原点建立系统坐标系，并在系统坐标系内测量所述激光导航基站3的坐标及激光测距仪5发出的激光束初始的水平转角及俯仰转角。

实施例二

本发明还提供一种移动设备的激光主动式导航方法的具体实施方式，由于本发明提供的移动设备的激光主动式导航方法与前述移动设备的激光主动式导航系统的具体实施方式相对应，该移动设备的激光主动式导航方法可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的，因此上述移动设备的激光主动式导航系统具体实施方式中的解释说明，也适用于本发明提供的移动设备的激光主动式导航方法的具体实施方式，在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。

参看图5所示，本发明实施例还提供一种移动设备的激光主动式导航方法，其特征在于，包括：

通过导航偏差传感器4确定激光测距仪5射在导航偏差传感器4的接收屏10上的激光点9的位置相对于接收屏10正中心的偏差信息；

根据所述偏差信息，通过上位机修正移动设备1的行驶方向；

根据所述偏差信息及规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机8及垂直轴伺服电机7转角的映射关系，通过基站电气柜驱动水平轴伺服电机8及垂直轴伺服电机7带动激光测距仪5进行旋转对移动设备1进行主动式导航，引导移动设备1完成规划路径的复现动作。

本发明实施例所述的移动设备的激光主动式导航方法，通过导航偏差传感器4确定激光测距仪5射在导航偏差传感器4的接收屏10上的激光点9的位置相对于接收屏10正中心的偏差信息，并由移动设备1上载有的上位机，根据所述偏差信息，实时修正移动设备1的行驶方向，并根据所述偏差信息及预先存储在所述激光导航基站3中的规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机8及垂直轴伺服电机7转角的映射关系，通过激光导航基站3对移动设备1进行主动式导航引导移动设备1完成规划路径的复现动作。这样，通过激光主动引导移动设备1完成规划路径的复现动作，不仅适用于室外环境，同时适用于室内，应用场所更加广泛；同时将规划路径的轨迹点与激光导航基站3中的水平轴伺服电机8及垂直轴伺服电机7转角的关系进行映射表示，使得激光导航基站3的引导控制算法更加简单、精确，并且在移动设备1上只需安装导航偏差传感器4，成本小。

在前述移动设备的激光主动式导航方法的具体实施方式中，可选地，所述引导移动设备1完成规划路径的复现动作包括：

利用激光直线插补引导方式引导移动设备1完成规划路径的复现动作；

所述激光直线插补引导方式包括：

步骤1，根据规划路径，获取移动设备1所要到达的下一规划目标位置B，B为规划路径中的轨迹点，并结合移动设备1所处位置A、激光导航基站3所处位置C三点位置的坐标信息，确定向量AB，AB向量方向为移动设备1的行驶方向；

步骤2，将所述A、B、C三点位置的坐标信息，移动设备1当前的行驶速度及其前一时刻位置坐标信息，代入行驶运动学模型，确定激光导航基站3水平伺服电机的偏转角∠A₁CA：

其中，A₁为激光测距仪5发出的激光束应当指向接收屏10上的的位置；

步骤3，根据所述偏转角∠A₁CA，驱动水平伺服电机旋转指定的角度，旋转完成后，更新A点坐标为B，返回步骤1，直至引导移动设备1完成规划路径的复现动作。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种移动设备的激光主动式导航系统，其特征在于，包括：激光导航基站、上位机和安装在移动设备上的导航偏差传感器；所述导航偏差传感器包括：接收屏；所述激光导航基站包括：激光测距仪；

所述导航偏差传感器，用于确定激光测距仪射在接收屏上的激光点的位置相对于接收屏正中心的偏差信息；

所述上位机，用于根据所述偏差信息，修正移动设备的行驶方向；

所述激光导航基站，用于根据所述偏差信息及预先存储在所述激光导航基站中的规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机转角的映射关系，对移动设备进行主动式导航。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述偏差信息包括：激光点位于接收屏的中心，激光点位于接收屏的左侧，激光点位于接收屏的右侧；

当激光点位于接收屏的中心时，移动设备的行驶方向与规划路径一致，由所述上位机控制移动设备保持当前状态行走；

当激光点位于接收屏的左侧时，移动设备的行驶方向在规划路径右侧，由所述上位机控制移动设备向左旋转消除激光点相对于接收屏正中心的偏差信息；

当激光点位于接收屏的右侧时，移动设备的行驶方向在规划路径左侧，由所述上位机控制移动设备向右旋转消除激光点相对于接收屏正中心的偏差信息。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光导航基站还包括：水平轴伺服电机，垂直轴伺服电机及基站电气柜；

所述激光导航基站，用于根据所述偏差信息及预先存储在激光导航基站中的规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机转角的映射关系，利用激光直线插补引导方式，通过基站电气柜发出控制指令驱动水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机带动激光测距仪进行旋转对移动设备进行主动式导航，引导移动设备完成规划路径的复现动作；

所述激光直线插补引导方式包括：

步骤1，根据规划路径，获取移动设备所要到达的下一规划目标位置B，B为规划路径中的轨迹点，并结合移动设备所处位置A、激光导航基站所处位置C三点位置的坐标信息，确定向量AB，AB向量方向为移动设备的行驶方向；

步骤2，将所述A、B、C三点位置的坐标信息，移动设备当前的行驶速度及其前一时刻位置坐标信息，代入行驶运动学模型，确定激光导航基站水平伺服电机的偏转角∠A₁CA：

其中，A₁为激光测距仪发出的激光束应当指向接收屏上的的位置；

步骤3，根据所述偏转角∠A₁CA，驱动水平伺服电机旋转指定的角度，旋转完成后，更新A点坐标，返回步骤1，直至引导移动设备完成规划路径的复现动作。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，当移动设备作匀速直线运动或匀速圆周运动时，激光导航基站水平伺服电机的偏转角∠L_n+1CL_n：

其中，C为激光导航基站所处位置，L_n为接收屏中心处于A_n时，激光测距仪发出的激光束应当指向接收屏上的位置，L_n+1为接收屏中心处于A_n+1时，激光测距仪发出的激光束应当指向接收屏上的位置，接收屏中心依次经过A_n-2,A_n-1,A_n，A_n+1为移动设备保持当前状态行走，Δt时间激光测距仪测量时的移动设备位置。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导航偏差传感器还包括：相机、视频处理器及箱体；

所述箱体，一面用于安装所述接收屏，并在其对面安装所述相机；

所述相机，用于采集激光测距仪发出的激光束射在相机CCD感光元件上的成像信息；

所述视频处理器，用于根据相机传回的成像信息，检测出激光点，并确定该激光点与接收屏中心的偏差信息，并将该偏差信息发送至所述上位机。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水平轴伺服电机和垂直轴伺服电机的旋转方向为正交，通过水平轴伺服电机和垂直轴伺服电机的旋转带动激光测距仪进行旋转使其发出的激光束通过水平轴伺服电机和垂直轴伺服电机的直径。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基站电气柜包括：运动控制器、驱动器、无线通信转接板、电源模块；

所述电源模块，用于为基站电气柜提供电源；

无线通信转接板，用于与导航偏差传感器进行通信，获取接收屏上的激光点的位置相对于接收屏正中心的偏差信息；

所述运动控制器，用于根据所述偏差信息，发出控制指令驱动驱动器带动水平轴伺服电机和垂直轴伺服电机进行旋转。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，预先在移动设备的工作场地确定坐标原点建立系统坐标系，在系统坐标系内测量所述激光导航基站的坐标及激光测距仪发出的激光束初始的水平转角及俯仰转角。

9.一种移动设备的激光主动式导航方法，其特征在于，包括：

通过导航偏差传感器确定激光测距仪射在导航偏差传感器的接收屏上的激光点的位置相对于接收屏正中心的偏差信息；

根据所述偏差信息，通过上位机修正移动设备的行驶方向；

根据所述偏差信息及规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机转角的映射关系，通过基站电气柜驱动水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机带动激光测距仪进行旋转对移动设备进行主动式导航，引导移动设备完成规划路径的复现动作。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述引导移动设备完成规划路径的复现动作包括：

利用激光直线插补引导方式引导移动设备完成规划路径的复现动作；

所述激光直线插补引导方式包括：

步骤1，根据规划路径，获取移动设备所要到达的下一规划目标位置B，B为规划路径中的轨迹点，并结合移动设备所处位置A、激光导航基站所处位置C三点位置的坐标信息，确定向量AB，AB向量方向为移动设备的行驶方向；

步骤2，将所述A、B、C三点位置的坐标信息，移动设备当前的行驶速度及其前一时刻位置坐标信息，代入行驶运动学模型，确定激光导航基站水平伺服电机的偏转角∠A₁CA：

其中，A₁为激光测距仪发出的激光束应当指向接收屏上的的位置；

步骤3，根据所述偏转角∠A₁CA，驱动水平伺服电机旋转指定的角度，旋转完成后，更新A点坐标为B，返回步骤1，直至引导移动设备完成规划路径的复现动作。