CN105157696B - 一种室内智能机器人精确位置感知系统及其感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了室内智能机器人精确位置感知系统及其方法，感知系统包括由发射端旋转机械结构和发射端电子处理单元组成的发射装置以及由接收端旋转机械结构和接收端电子处理单元组成的接收装置；发射端旋转机械结构包括精密减速步进马达、圆盘、挡板、槽形光耦以及导光器件，接收端旋转机械结构包括精密减速步进马达、圆盘、挡板、槽形光耦以及PSD器件；本发明工作时，需先对发射装置和接收装置的高度进行调整，并使得调整后发射装置发射的红外线可在接收装置PSD器件上形成光斑；本发明的应用之一是可以为机器人提供精确的室内定位，从而使机器人可以在比较远的距离上精确地感知自身姿态，包括距离和方位角。

Description

一种室内智能机器人精确位置感知系统及其感知方法

技术领域

本发明涉及室内智能机器人领域，特别涉及一种室内智能机器人精确位置感知系统。

背景技术

室内机器人需要感知自身位置，从而为其路线规划提供支持，一般的家用扫地机通过发射式红外测距传感器实现位置感知，但是这种位置传感器测距范围小，无法实现大范围的测距；同时，由于采用外部障碍物的反射，不同反射角度的将无法确保每次正确获得数据；换言之，测距的不确定性较大，从而影响了导航算法的稳定工作；另外，也有采用视觉识别定位，但视觉定位对处理器能力提出比较高的要求，增加了成本；同时，在环境没有明显标志物的情况下，效果不佳(例如，在一个圆形的空的房间内，无法正常工作)。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可以在比较远的距离上感知自身姿态，包括距离和方位角的一种室内智能机器人精确位置感知系统。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

室内智能机器人精确位置感知系统；包括

一发射装置，所述发射装置由发射端旋转机械结构和控制发射端旋转机械结构工作以及产生红外信号相关的发射端电子处理单元组成；

所述发射端旋转机械结构包括精密减速步进马达、圆盘、挡板、槽形光耦以及导光器件，所述圆盘固定在精密减速步进马达上，所述导光器件设置在圆盘上表面上；所述挡板的一端和圆盘连接在一起，所述挡板的另一端置于槽形光耦的U型槽内，每转一周，槽形光耦被遮挡一次；

所述发射端电子处理单元包括

一发射端精密减速步进马达控制器单元，所述发射端精密减速步进马达控制器单元用与对精密减速步进马达进行驱动；

一发射端初始位置检测单元，所述发射端初始位置检测单元每转一圈收到一个脉冲，用于定期对红外发射端的自身角度进行修正；防止步进马达失步引起的误差；

一发射端红外单元；所述发射端红外单元输出调制红外信号，以及控制两束红外线交替工作；

一发射端无线收发通信单元，所述发射端无线收发通信单元用于将参数传递到接收装置；

以及发射端中央处理器单元；所述发射端中央处理单元处理发射端所有的机械控制，初始位置检测以及信号处理；

一接收装置，所述接收装置为安装在机器人顶上的旋转红外信标接收装置，且随机器人移动；所述接收装置由接收端旋转机械结构和控制接收端旋转机械结构工作以及PSD器件信号处理和姿态计算的接收端电子处理单元组成；

所述接收端旋转机械结构包括精密减速步进马达、圆盘、挡板、槽形光耦以及PSD器件，所述圆盘固定在精密减速步进马达上，所述PSD器件设置在圆盘上表面上；所述挡板的一端和圆盘连接在一起，所述挡板的另一端置于槽形光耦的U型槽内，每转一周，槽形光耦被遮挡一次；

所述接收端电子处理单元包括

一接收端精密减速步进马达控制器单元，所述接收端精密减速步进马达控制器单元用与对精密减速步进马达进行驱动；

一接收端初始位置检测单元，所述接收端初始位置检测单元每转一圈收到一个脉冲，这里是将机器人作为参考对象，认为相对静止，此单元是用来确定开始时候PSD器件和接收端之间的夹角；

一PSD光斑检测单元，通过放大器获得电压数据，检测当前的光斑位置，并去除各种误差；

一接收端无线收发通信单元，所述接收端无线收发通信单元用于接收发射端过来的信息包，以获取发射端的角度参数，并和发射端交互通信，间接影响发射端的精密减速步进马达工作方式；

以及接收端中央处理器单元，用于对上述信息进行处理并输出结果。

在本发明的一个实施例中，所述导光器件的内部对称设有两个矩形空心腔，所述每个矩形空心腔的端部引出一与外界接通的导光孔，所述矩形空心腔内用于放置红外发射管。

在本发明的一个实施例中，所述槽形光耦上设有发射和接收对管，用于形成一次脉冲。

室内智能机器人精确位置感知方法，所述位置感知方法的步骤如下：

(1)先对发射装置和接收装置的高度进行调整，并使得调整后发射装置发射的红外线可在接收装置PSD器件上形成光斑；

(2)对发射装置和接收装置进行初始化设定，包括发射装置初始角度以及接收装置初始方位的设定；

(3)发射装置和接收装置均自行自转，当接收装置的PSD器件上形成光斑时，接收装置通过计算来调整的精密减速步进马达和接收装置的精密减速步进马达的速度，当两个光斑中心对称于PSD中心时，停止收发双方马达的旋转，计算光斑位置，根据光斑位置应用本发明给出的算法算出最终姿态数据。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明机器人可以提供精确定位，且机器人可以在比较远的距离上感知自身姿态，包括距离和方位角。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明发射装置和接收装置的工作原理图；

图2为本发明发射端旋转机械结构的结构图；

图3为本发明导光器件的结构图；

图4为本发明接收端旋转机械结构的结构图；

图5为本发明发射端电子处理单元模块图；

图6为本发明接收端电子处理单元模块图；

图7为发射装置和接收装置角速度差与红外光斑在PSD上形成所需要的时间图；

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

100、发射装置 110、精密减速步进马达 111、圆盘 112、挡板 113、槽形光耦 114、导光器件 114a、矩形空心腔 114b、导光孔 115、发射端精密减速步进马达控制器单元116、发射端初始位置检测单元 117、发射端红外单元 118、发射端无线收发通信单元 119、发射端中央处理器单元120、PSD器件 121、接收端精密减速步进马达控制器单元 122、接收端初始位置检测单元 123、PSD光斑检测单元 124、接收端无线收发通信单元 125、接收端中央处理器单元 200、接收装置。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1至图6所示，本发明公开了室内智能机器人精确位置感知系统，其由发射装置100和接收装置200组成，发射装置100是具有旋转红外信标发射装置，发射装置自身位置不发生平移，但可以围绕中心旋转；接收装置200为安装在机器人顶上的旋转红外信标接收装置，随机器人移动。

发射装置100由发射端旋转机械结构和控制发射端旋转机械结构工作以及产生红外信号相关的发射端电子处理单元组成。

发射端旋转机械结构包括精密减速步进马达110、圆盘111、挡板112、槽形光耦113以及导光器件114，圆盘111固定在精密减速步进马达110上，导光器件114设置在圆盘111上表面上；挡板112的一端和圆盘111连接在一起，挡板112的另一端置于槽形光耦113的U型槽内，每转一周，槽形光耦113被遮挡一次，由于槽形光耦113上臂和下臂有个发射和接收对管，因此形成一次脉冲；从而软件可以检测出精密减速步进马达110上方圆盘111的起始位置角度，为后续算法提供参数。

导光器件114的内部对称设有两个矩形空心腔114a，每个矩形空心腔114a的端部引出一与外界接通的导光孔114b，矩形空心腔114a内用于放置红外发射管，导光孔114b和空心腔矩形114a的目的是确保红外发射的信号不发散，在接收装置的PSD器件上形成大小合适的两个独立光斑。

发射端电子处理单元包括发射端精密减速步进马达控制器单元115、发射端初始位置检测单元116、发射端红外单元117、发射端无线收发通信单元118以及发射端中央处理器单元119；发射端精密减速步进马达控制器单元115用与对精密减速步进马达110进行驱动；发射端初始位置检测单元116每转一圈收到一个脉冲，用于定期对红外发射端的自身角度进行修正；防止步进马达失步引起的误差；一方面防止步进电机失步形成偏差，另一方面提供一个绝对的起始位置；发射端无线收发通信单元118控制输出的红外调制信号，以达到较长距离的传输，另外，红外发射有2束光，不可以同时发出，否则在接收装置PSD器件120上同时形成2个光斑，接收装置会将2个光斑重心位置判断为光斑位置，导致错误；因为PSD器件要求一次只能有一个光斑出现，因此发射的2束光必须交替进行；这2束光的交替由矩形波驱动门电路实现，门电路输出到其中一个红外发射管，同时驱动一个反相器并连接到另外一个红外发射管；发射端无线收发通信单元118用来和接收装置通信，将参数及时传递到接收装置，从而接收装置的算法可以控制本地精密减速步进电机的动作，并计算出姿态结果；以上这些流程由发射端中央处理机单元119内的软件统一处理。

接收装置200为安装在机器人顶上的旋转红外信标接收装置，且随机器人移动；接收装置由接收端旋转机械结构和控制接收端旋转机械结构以及PSD器件信号处理和姿态计算的接收端电子处理单元组成。

接收端旋转机械结构包括精密减速步进马达110、圆盘111、挡板112、槽形光耦113以及PSD器件120，PSD器件120为位置敏感器件，是一种光学测距用的光电器件；圆盘111固定在精密减速步进马达110上，PSD器件120设置在圆盘111上表面上；挡板112的一端和圆盘111连接在一起，挡板112的另一端置于槽形光耦113的U型槽内，每转一周，槽形光耦113被遮挡一次；由于槽形光耦113上臂和下臂有个发射和接收对管，因此形成一次脉冲。从而软件可以检测出精密减速步进马达110上方圆盘111的起始位置角度，为后续算法提供参数。软件根据PSD器件上2个光斑中心对称时的位置，由算法计算出目前接收装置和发射装置之间的直线距离和方位角。

接收端电子处理单元包括接收端精密减速步进马达控制器单元121、接收端初始位置检测单元122、PSD光斑检测单元123、接收端无线收发通信单元124以及接收端中央处理器单元125；接收端精密减速步进马达控制器单元121用来对精密减速步进马达110进行驱动；接收端初始位置检测单元122每转一圈收到一个脉冲，这里是将机器人作为参考对象，认为相对静止，此单元是用来确定开始时候PSD器件120和接收端之间的夹角；PSD器件120为位置敏感光学模块，通过放大电路提取输出的信号，接收端接收端中央处理器单元125对信号解调，并计算2个光斑的位置；接收端无线收发通信单元124用于接收发射装置发射过来的信息包，以获取发射端的角度参数，并和发射装置交互通信，且控制发射装置的精密减速步进马达行为，从而共同完成姿态的计算，主要的姿态计算算法在接收端中央处理器单元125中实现。

本发明的工作原理如下：

参见图1所示，先对发射装置100和接收装置200的高度进行调整，并使得调整后发射装置发射的红外线可在接收装置PSD器件120上形成光斑；开始的时候，发射装置100和接收装置200进行一次初始化，包括发射装置100的初始角度和接收装置200的初始方位的确定；发射装置100和接收装置200各自按照一定的速度自转，这样红外光斑点会扫过图中的虚线圆周，总有那么一个时刻在接收装置的PSD器件上形成光斑；一旦出现，接收装置立刻按照本发明中提到的算法自动调整发射装置和接收装置之间的速度，并计算出最终结果；发射装置中导光器件的发射孔沿着圆周排列，并且同一个圆心Q1,半径都是R1，两个发射孔在圆周上间隔距离的弧线长度非常小，R1的大小和发射孔的夹角可按照接收方的PSD器件尺寸大小调整，发射夹角最大不超过1度；导光器件设计的目的是发射2束极其细的交替工作的红外光线，这2束红外光到达接收装置，在PSD器件上面交替形成2个光斑，根据光斑的位置，结合当前获知的发射装置的角度，可以推导出目前接收装置和发射装置之间的距离和方位角。

本发明的计算原理如下：

发射装置100发射两束红外线，此两束红外线经过红外导光器件限制发散，确保红外光斑在接收装置上足够小，满足PSD器件的检测要求；两个红外发射光线夹角很小，满足在设计的发射装置和接收装置距离最大的情况下，在两个光斑相对PSD器件中心对称时，任意一个光斑和PSD器件中心的距离不超过所选择的PSD器件能检测的最大宽度；两个红外光线分别由两个红外发射管驱动，两者交替工作；同时，红外发射管发射的是调制过的红外线，确保能较远距离传输。

发射装置具有初始角度检测以及发射端无线传输收发单元，依据算法的要求实现和接收装置之间传输参数以及和接收装置协同工作，控制精密减速步进马达的旋转方式。

发射装置100的信号处理部分安装在旋转的圆盘111上，供电通过接触电极或者磁感应发电获得。

接收装置是安装在移动机器人上，比如智能扫地机，接收装置的PSD器件中心位置和发射装置红外发射口一样高度，确保了红外发射的光线可以在PSD器件上形成光斑；接收装置的PSD器件安装可旋转的圆盘上，由精密减速步进电机驱动，接收装置工作模式受本发明算法控制。

发射装置和接收装置开始工作的时候分别计算各自的全局坐标系下的角度，然后按照公式ω1＝ω2+3.07，确定各自角速度，实现最快的定位计算；两者的旋转按照本算法必须确保同一个方向。

在两束红外发射光夹角为不变值θ情况下，接收装置通过PSD器件以及配套的PSD硬件处理和软件处理，结合算法，计算出光斑和PSD中心的距离d,通过公式L＝d/sin(θ/2),计算出距离。

接收装置的方位角为β(针对全局坐标而言)，根据发射装置的初始姿态角度(针对全局坐标而言)，接收装置的精密减速步进电机目前的角度(针对全局坐标而言)，发射装置的精密减速步进电机目前的角度(本地局部坐标)三者计算。

发射装置和接收装置通过无线传输，这种无线传输包括无线电信号，红外通信等所有非电缆方式的传输。

参见图7所示，图中发射装置对应的ψ2以及和接收装置对应的ψ1表示发射装置的初始角度以及接收装置的初始角度，它们使用同一套绝对坐标，类似于Autocad中的世界坐标。

ω1和ω2分别表示接收装置和发射装置的角速度，假设发射装置和接收装置都从任意角度开始启动，当发射装置发射出的红外光线的2个斑点射到PSD器件上，并且2个斑点关于PSD的中心对称的时候，需要的时间是t,那么存在如下公式。

[(ω1-ω2)·t+(ψ1-ψ2)+π]mod(2π)＝0

其中mod表示取模函数

改写上式，得到

(ω1-ω2)·t+(ψ1-ψ2)＝n·π，n＝1,3,5,7….

N是自然数

这里有必权衡ω1-ω2和调整时间t之间的关系，确保在短时间内获得计算结果，当然ω1-ω2必须大于0。

ω1-ω2和t之间是反比关系。

当ω1-ω2→∞,t→0,当ω1-ω2→0,t→∞。

在-45度切线的位置，是最佳点。

按照不同的角速度配合方式，优化的计算公式为

最小调整时间t的规则如下，首先确定n：

如果ψ1>ψ2并且ψ1-ψ2<π那么n＝1,意味着发射端和接收端之间的旋转角度小于PI；

如果ψ1>ψ2并且ψ1-ψ2>π那么n＝2,意味着发射端和接收端之间的旋转角度小于2PI；

如果ψ1＝ψ2那么n＝0，意味着发射端和接收端之间不需旋转；

如果ψ1<ψ2并且-2π<ψ1-ψ2<-π那么n＝-1,意味着发射端和接收端之间的旋转角度小于3PI；

如果ψ1<ψ2并且-π<ψ1-ψ2<0那么n＝0

从上面分析得出最坏情况是ω1-ω2is

分析上式，取优化值为ω1＝ω2+3.07弧度/秒

姿态算法如下：

1、接收装置和发射装置同一个方向旋转,ω1＝ω2+3.07；

2、接收装置上的PSD器件接收到发射装置发来的红外线后，旋转速度降低,同时用无线方式通知发射装置；

3、接收装置收到发射装置发来的无线信号后降低旋转速度；

4、动态地缓慢调整旋转速度，直到发射装置发来的红外斑点在接收装置的PSD器件上中心对称；

5、当红外斑点中心对称检测到后，接收装置和发射装置的旋转停止，接收装置本地处理器开始计算接收装置和发射装置的距离L，计算公式为L＝d/sin(θ/2),其中θ是2束红外光线的夹角，d是PSD器件上斑点到中心的距离；方位角为β(针对全局坐标而言)，根据接收装置的初始姿态角度(针对全局坐标而言)，发射装置的精密减速步进电机目前的角度(针对全局坐标而言)，接收装置的精密减速步进电机目前的角度(本地局部坐标)三者计算。

6、接收装置更新本地的姿态参数，为用户应用程序提供接口；比如初始地图的构建或者基于已有地图的路线构建。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.室内智能机器人精确位置感知系统；其特征在于：包括

一发射装置，所述发射装置由发射端旋转机械结构和控制发射端旋转机械结构工作以及产生红外信号相关的发射端电子处理单元组成；

所述发射端旋转机械结构包括精密减速步进马达、圆盘、挡板、槽形光耦以及导光器件，所述圆盘固定在精密减速步进马达上，所述导光器件设置在圆盘上表面上；所述挡板的一端和圆盘连接在一起，所述挡板的另一端置于槽形光耦的U型槽内，每转一周，槽形光耦被遮挡一次；

所述发射端电子处理单元包括

一发射端精密减速步进马达控制器单元，所述发射端精密减速步进马达控制器单元用与对精密减速步进马达进行驱动；

一发射端初始位置检测单元，所述发射端初始位置检测单元每转一圈收到一个脉冲，用于定期对红外发射端的自身角度进行修正，防止步进马达失步引起的误差；

一发射端红外单元，所述发射端红外单元输出调制红外信号，以及控制两束红外线交替工作；

一发射端无线收发通信单元，所述发射端无线收发通信单元用于将参数传递到接收装置；

以及发射端中央处理器单元，所述发射端中央处理单元处理发射端所有的机械控制，初始位置检测以及信号处理；

一接收装置，所述接收装置为安装在机器人顶上的旋转红外信标接收装置，且随机器人移动；所述接收装置由接收端旋转机械结构和控制接收端旋转机械结构工作以及PSD器件信号处理和姿态计算的接收端电子处理单元组成；

所述接收端旋转机械结构包括精密减速步进马达、圆盘、挡板、槽形光耦以及PSD器件，所述圆盘固定在精密减速步进马达上，所述PSD器件设置在圆盘上表面上；所述挡板的一端和圆盘连接在一起，所述挡板的另一端置于槽形光耦的U型槽内，每转一周，槽形光耦被遮挡一次；

所述接收端电子处理单元包括

一接收端精密减速步进马达控制器单元，所述接收端精密减速步进马达控制器单元用与对精密减速步进马达进行驱动；

一接收端初始位置检测单元，所述接收端初始位置检测单元每转一圈收到一个脉冲，这里是将机器人作为参考对象，认为相对静止，此单元是用来确定开始时候PSD器件和接收端之间的夹角；

一PSD光斑检测单元，通过放大器获得电压数据，检测当前的光斑位置，并去除各种误差；

一接收端无线收发通信单元，所述接收端无线收发通信单元用于接收发射端过来的信息包，以获取发射端的角度参数，并和发射端交互通信，间接影响发射端的精密减速步进马达工作方式；

以及接收端中央处理器单元，用于对上述信息进行处理并输出结果。

2.根据权利要求1所述的室内智能机器人精确位置感知系统，其特征在于：所述导光器件的内部对称设有两个矩形空心腔，所述每个矩形空心腔的端部引出一与外界接通的导光孔，所述矩形空心腔内用于放置红外发射管。

3.根据权利要求1所述的室内智能机器人精确位置感知系统，其特征在于：所述槽形光耦上设有发射和接收对管，用于形成一次脉冲。

4.室内智能机器人精确位置感知方法，其特征在于，所述位置感知方法的步骤如下：

(1)先对发射装置和接收装置的高度进行调整，并使得调整后发射装置发射的红外线可在接收装置PSD器件上形成光斑；

(2)对发射装置和接收装置进行初始化设定，包括发射装置初始角度以及接收装置初始方位的设定；

(3)发射装置和接收装置均自行自转，当接收装置的PSD器件上形成光斑时，接收装置通过计算来调整发射装置的步进马达和接收装置的步进马达的速度，当两个光斑中心对称于PSD中心时，停止收发双方马达的旋转，计算光斑位置，根据光斑位置算出最终姿态数据。