CN105115497B - 一种可靠的室内移动机器人精确导航定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可靠的室内移动机器人精确导航定位系统及方法，其中，系统包括RFID拓扑布点及定位子系统、超声测距导引子系统以及激光定位子系统；方法包括建立拓扑地图并布设智能标签、实时检测机器人与左右两侧墙面的距离保持在Voronoi边上移动、通过RFID拓扑布点及定位子系统、超声测距导引子系统和激光定位子系统进行精确定位以及朝向角确定。该导航定位系统及方法能够有效提高室内机器人定位以及朝向角的精度，整体定位结果准确可靠且具有较强的自我校正能力，防止在工作过程中进入不可逆的错误状态，具有较好的市场应用前景。

Description

一种可靠的室内移动机器人精确导航定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种定位导航系统及方法，尤其是一种应用于室内移动机器人的定位导航系统及方法。

背景技术

移动机器人广泛应用于现代社会各类应用场合，可以代替人力高效可靠的完成各项任务。机器人定位技术是移动机器人实现各项功能的基础。移动机器人的定位技术最常用的有航位推测法、基于无线传感网络的定位技术（到达时间或角度的算法、信号强度衰减算法等）、全球定位系统、地图匹配、信标导航等。航位推测法的缺陷在于积累误差较大，且具有不可避免的随机误差，如轮子打滑；基于无线传感网络的定位算法的普遍缺陷在于定位结果不精确，不能适用于对定位精度要求高的场合；因为无线信号的传播受环境干扰较大，其定位结果的精度取决于网络的拓扑性质和信号传播环境。全球定位系统无法在室内使用，且其定位精度不高。地图匹配算法需要的环境数据量大，计算量大，对硬件要求较高。信标导航法需要在运动范围内布设信标，不适用于对环境管控严格的场所。总体来说移动机器人的定位技术尚未达到令人满意的效果，尤其在实用中还需进一步优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现在室内精确定位且对环境要求低的移动机器人精确导航定位系统。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种可靠的室内移动机器人精确导航定位系统，包括RFID拓扑布点及定位子系统、超声测距导引子系统以及激光定位子系统；RFID拓扑布点及定位子系统由按照拓扑地图布设的智能标签以及安装在机器人底部的标签阅读器构成；超声测距导引子系统由安装在机器人左右两侧的超声测距传感器、安装在机器人移动轮上的编码器以及航行执行处理器构成；激光定位子系统包括安装在机器人顶部的激光扫描仪以及定位处理器；利用智能标签内存储对应于拓扑位置信息及局部环境信息的编码信号；标签阅读器用于读取智能标签的编码信号，从而获取相应的拓扑位置信息及局部环境信息，并将拓扑位置及局部环境信息发送至航行执行处理器；超声测距传感器和编码器将采集的测距信号和编码信号发送至航行执行处理器；激光扫描仪将激光扫描数据发送至定位处理器进行定位运算；航行执行处理器与定位处理器互联通信。

采用智能标签存储拓扑位置信息及局部环境信息，能够对编码器定位的累积误差进行精确修正，有效提高机器人定位的精度；采用超声测距传感器安装在机器人左右两侧，能够实时检测机器人距离移动路径两侧的距离，使机器人始终位于移动路径的中心线上，确保标签阅读器可以读到智能标签；采用激光扫描仪进行局部扫描定位，能够在转弯处为机器人提供转弯的方向和角度，并在需要进入房间时，对入口处是否有障碍进行扫描，同时也能够在进入房间后对四方墙壁的距离进行扫描，从而进一步获得当前机器人的位置与朝向角。

作为本发明的导航定位系统进一步限定方案，拓扑地图覆盖机器人全部移动路径，智能标签分布于移动路径的各个关键节点处及相邻关键节点之间的移动路径上。

作为本发明的导航定位系统进一步限定方案，智能标签分布于移动路径的中心线上，且在移动路径尽头处的智能标签位于尽头两侧底角的角平分线的交点处。将智能标签分布于移动路径的中心线上且将移动路径尽头处的智能标签设置于尽头两侧底角的角平分线的交点处，能够有效保证移动机器人始终位于路径中心移动，且在路径尽头处也不会发生碰撞。

作为本发明的导航定位系统进一步限定方案，关键节点包括转角、门口以及交叉路口。

作为本发明的导航定位系统进一步限定方案，拓扑位置信息包括本智能标签位置信息以及位于本智能标签在拓扑地图中的前后相邻的两个智能标签信息。提供本智能标签在拓扑地图中的前后相邻的两个智能标签信息，能够便于机器人结合前后位置关系进行进一步精确定位。

本发明还提供了一种可靠的室内移动机器人精确导航定位方法，包括如下步骤：

步骤1，根据机器人运动的全部移动路径建立拓扑地图，利用拓扑地图作出局部环境轮廓点的Voronoi边和Voronoi顶点，相邻Voronoi顶点间的连线作为机器人的移动路径，在Voronoi顶点处以及相邻Voronoi顶点间的连线上布设智能标签，所有智能标签构成一张有向的拓扑地图；

步骤2，通过安装在机器人左右两侧的超声测距传感器实时检测机器人与移动路径左右两侧墙面的距离，使机器人始终保持在Voronoi边上移动；

步骤3，通过安装在机器人移动轮上的编码器实时检测机器人移动轮的航行距离，再由航行执行处理器根据航位推测法计算出机器人的移动里程以及当前的朝向角；同时通过安装在机器人底部的标签阅读器读取智能标签内存储对应于拓扑位置信息及局部环境信息的编码信号，由航行执行处理器对移动里程进行校正；同时还通过激光扫描仪对机器人所在的局部环境进行激光扫描，再由定位处理器结合激光扫描结果以及航行执行处理器发送的局部环境信息，对机器人所在局部环境中位置进行精确定位以及朝向角的精确校正；

步骤4，向机器人驱动系统发送精确的定位结果以及精确的朝向角，使机器人按照移动路径精确移动和转向。

采用在Voronoi边上以及Voronoi顶点处设置智能标签，当现实应用场景发生变化时，Voronoi边上以及Voronoi顶点也随之变化，此时可通过对智能标签内存储的信息进行修改、对节点进行增删即可实现不同环境下的移植，有效提高了系统的普适性能。

作为本发明的导航定位方法的进一步限定方案，拓扑位置信息包括本智能标签位置信息以及位于本智能标签在拓扑地图中的前后相邻的两个智能标签信息。

本发明的有益效果在于：（1）采用智能标签存储拓扑位置信息及局部环境信息，能够对编码器定位的累积误差进行精确修正，有效提高机器人定位的精度；（2）采用超声测距传感器安装在机器人左右两侧，能够实时检测机器人距离移动路径两侧的距离，使机器人始终位于移动路径的中心线上，确保标签阅读器可以读到智能标签；（3）采用激光扫描仪进行局部扫描定位，能够在转弯处为机器人提供转弯的方向和角度，并在需要进入房间时，对入口处是否有障碍进行扫描，同时也能够在进入房间后对四方墙壁的距离进行扫描，从而进一步获得当前机器人的位置与朝向角。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的机器人局部工作环境中智能标签布设示意图；

图3为本发明的智能标签拓扑结构示意图；

图4为本发明的智能标签布设位置选取方法示意图；

图5为本发明的导航定位方法流程图。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明的一种可靠的室内移动机器人精确导航定位系统包括：RFID拓扑布点及定位子系统、超声测距导引子系统以及激光定位子系统。

其中，RFID拓扑布点及定位子系统由按照拓扑地图布设的智能标签以及安装在机器人底部的标签阅读器构成；超声测距导引子系统由安装在机器人左右两侧的超声测距传感器、安装在机器人移动轮上的编码器以及航行执行处理器构成；激光定位子系统包括安装在机器人顶部的激光扫描仪以及定位处理器；利用智能标签内存储对应于拓扑位置信息及局部环境信息的编码信号；标签阅读器用于读取智能标签的编码信号，从而获取相应的拓扑位置信息及局部环境信息，并将拓扑位置及局部环境信息发送至航行执行处理器；超声测距传感器和编码器将采集的测距信号和编码信号发送至航行执行处理器；激光扫描仪将激光扫描数据发送至定位处理器进行定位运算；航行执行处理器与定位处理器互联通信；拓扑地图覆盖机器人全部移动路径，智能标签分布于移动路径的各个关键节点处及相邻关键节点之间的移动路径上；智能标签分布于移动路径的中心线上，且在移动路径尽头处的智能标签位于尽头两侧底角的角平分线的交点处；关键节点包括转角、门口以及交叉路口；拓扑位置信息包括本智能标签位置信息以及位于本智能标签在拓扑地图中的前后相邻的两个智能标签信息。

航行执行处理器用于执行航位推测法和机器人的运动控制，采用ARM板实现，标签阅读器也由此ARM板负责处理，ARM板分别通过串口线与编码器和标签阅读器相连接。定位处理器采用另一ARM板实现，激光扫描仪通过串口线与该ARM板连接，对扫描数据进行处理并执行相应定位算法，并与前一块ARM板相互通信。

如图4所示，以走廊为例，Voronoi边与Voronoi顶点的计算和智能标签位置的选取，其中黑色圆点代表Voronoi顶点，空间内线段代表Voronoi边， 智能标签布设于黑色Voronoi顶点以及Voronoi顶点的连线上的灰色方块上。

如图5所示，本发明提供的一种可靠的室内移动机器人精确导航定位方法，包括如下步骤：

步骤1，根据机器人运动的全部移动路径建立拓扑地图，利用拓扑地图作出局部环境轮廓点的Voronoi边和Voronoi顶点，相邻Voronoi顶点间的连线作为机器人的移动路径，在Voronoi顶点处以及相邻顶点间的连线上布设智能标签，所有智能标签构成一张有向的拓扑地图；

步骤2，通过安装在机器人左右两侧的超声测距传感器实时检测机器人与移动路径左右两侧墙面的距离，使机器人始终保持在Voronoi边上移动；

步骤3，通过安装在机器人移动轮上的编码器实时检测机器人移动轮的航行距离，再由航行执行处理器根据航位推测法计算出机器人的移动里程以及当前的朝向角；同时通过安装在机器人底部的标签阅读器读取智能标签内存储对应于拓扑位置信息及局部环境信息的编码信号，由航行执行处理器对移动里程进行校正；同时还通过激光扫描仪对机器人所在的局部环境进行激光扫描，再由定位处理器结合激光扫描结果以及航行执行处理器发送的局部环境信息，对机器人所在局部环境中位置进行精确定位以及朝向角的精确校正，其中，拓扑位置信息包括本智能标签位置信息以及位于本智能标签在拓扑地图中的前后相邻的两个智能标签信息；

步骤4，向机器人驱动系统发送精确的定位结果以及精确的朝向角，使机器人按照移动路径精确移动和转向。

机器人在走廊上运动时，利用超声测距导引子系统可保持机器人沿走廊中线前进，在房内运动时靠墙前进并与墙面保持一定的距离，在智能标签间的连线（Voronoi边）上运动。这种前进策略使机器人可以可靠地探测到智能标签，不至于进入定位误差过大且不可逆（如丢失智能标签拓扑信息）的情况。机器人运动时，其底部的标签阅读器一直处于工作状态，每当探测到智能标签并读到标签内部信息，便可获取机器人准确的当前位置。

机器人在收到任务后，在拓扑地图中分别找到目的地与此刻所在位置对应的智能标签拓扑节点，通过最短路径搜寻法得出最佳运动路线。机器人在运动过程中，通过航位推测与激光扫描定位保持直线前进，并保证机器人可到达每个关键智能标签拓扑节点。当到达某一智能标签拓扑节点时，机器人根据其计算出的最短路径可得出下一个智能标签节点及其方向，由此发给机器人正确的运动指令。

机器人上半身的激光扫描仪可获取前方100°以及左右后方各20度内的扫描信息，每个扫描点返回此方向上障碍物的距离和角度值。当机器人在走廊运动，沿中线直线行走，航位推测法可作为基本的校正手段，在此基础上，激光器在两侧的扫描信息可进一步给机器人实时反馈矫正自身位姿保持直线前进。

当机器人从走廊进入房间时，在转角附近会经过一个或多个智能标签拓扑节点，此刻依据机器人前方100°的扫描数据，可使机器人从门中间安全通过。进入房间内部后，激光扫描仪可返回四个方向的数据，通过对各方向扫描点连线的特征提取，可获得直线段、折线等特征，计算线段在机器人坐标系内的斜率、进一步进行坐标系转换，即可得到机器人在房间内的准确位置和朝向角。

本发明的机器人精确定位系统共有三种单独的定位结果：检测到的智能标签节点坐标、航位推测法得出的位姿估计、激光定位得出的位姿估计。在两个拓扑节点之间，即没有准确的智能标签位置反馈的情形下，使用航位推测法和激光扫描定位的结果，二者可以相互进行补偿，根据机器人所在拓扑位置选取置信度高的定位结果。这三种信息来源保证了整个定位系统的可靠性与准确性，使机器人在整个运动范围内都具有较高的定位精度。

Claims (4)

1.一种可靠的室内移动机器人精确导航定位系统，其特征在于：包括RFID拓扑布点及定位子系统、超声测距导引子系统以及激光定位子系统；RFID拓扑布点及定位子系统由按照拓扑地图布设的智能标签以及安装在机器人底部的标签阅读器构成；超声测距导引子系统由安装在机器人左右两侧的超声测距传感器、安装在机器人移动轮上的编码器以及航行执行处理器构成；激光定位子系统包括安装在机器人顶部的激光扫描仪以及定位处理器；利用智能标签内存储对应于拓扑位置信息及局部环境信息的编码信号；标签阅读器用于读取智能标签的编码信号，从而获取相应的拓扑位置信息及局部环境信息，并将拓扑位置及局部环境信息发送至航行执行处理器；超声测距传感器和编码器将采集的测距信号和编码信号发送至航行执行处理器；激光扫描仪将激光扫描数据发送至定位处理器进行定位运算；航行执行处理器与定位处理器互联通信；

智能标签分布于移动路径的中心线上，且在移动路径尽头处的智能标签位于尽头两侧底角的角平分线的交点处；

拓扑位置信息包括本智能标签位置信息以及位于本智能标签在拓扑地图中的前后相邻的两个智能标签信息。

2.根据权利要求1所述的可靠的室内移动机器人精确导航定位系统，其特征在于：拓扑地图覆盖机器人全部移动路径，智能标签分布于移动路径的各个关键节点处及相邻关键节点之间的移动路径上。

3.根据权利要求2所述的可靠的室内移动机器人精确导航定位系统，其特征在于：关键节点包括转角、门口以及交叉路口。

4.一种可靠的室内移动机器人精确导航定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，根据机器人运动的全部移动路径建立拓扑地图，利用拓扑地图作出局部环境轮廓点的Voronoi边和Voronoi顶点，相邻Voronoi顶点间的连线作为机器人的移动路径，在Voronoi顶点处以及相邻顶点间的连线上布设智能标签，所有智能标签构成一张有向的拓扑地图；

步骤2，通过安装在机器人左右两侧的超声测距传感器实时检测机器人与移动路径左右两侧墙面的距离，使机器人始终保持在Voronoi边上移动；

步骤3，通过安装在机器人移动轮上的编码器实时检测机器人移动轮的航行距离，再由航行执行处理器根据航位推测法计算出机器人的移动里程以及当前的朝向角；同时通过安装在机器人底部的标签阅读器读取智能标签内存储对应于拓扑位置信息及局部环境信息的编码信号，由航行执行处理器对移动里程进行校正；同时还通过激光扫描仪对机器人所在的局部环境进行激光扫描，再由定位处理器结合激光扫描结果以及航行执行处理器发送的局部环境信息，对机器人所在局部环境中位置进行精确定位以及朝向角的精确校正；

步骤4，向机器人驱动系统发送精确的定位结果以及精确的朝向角，使机器人按照移动路径精确移动和转向；

拓扑位置信息包括本智能标签位置信息以及位于本智能标签在拓扑地图中的前后相邻的两个智能标签信息。