CN106052676B - 一种机器人导航定位方法、装置及机器人 - Google Patents

一种机器人导航定位方法、装置及机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机器人导航定位方法、装置及机器人，用于类似楼道这种狭长环境下的机器人定位。该方法包括：根据激光扫描仪和超宽带无线接收器的检测数据计算机器人的位置；其中，激光扫描仪用于检测机器人相对于楼道两侧墙体的位置信息，超宽带无线接收器用于检测机器人沿楼道方向的位置信息。

Description

一种机器人导航定位方法、装置及机器人
技术领域
本发明涉及导航技术领域，具体涉及一种机器人导航定位方法、装置及机器人。
背景技术
导航是指移动机器人通过传感器感知环境与自身状态，建立地图，实现在有障碍物的环境中搜索出一条最优或近似最优的无碰路径，以到达目标的自主运动。导航技术要解决的问题主要包括三点：一、地图建模；二、定位；三、路径规划。现有的定位技术包括惯性导航、Wifi、蓝牙、超宽带、激光、电磁线、磁带线等，每种定位技术都存在各自的优缺点，通常是根据机器人的使用环境合理选择，然而，对于类似公寓楼道或长廊这种狭长，并且一边或两边存在建筑物遮挡的环境，上述定位技术都无法实现准确定位，严重制约了机器人的推广应用。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种机器人导航定位方法、装置及机器人，解决了类似楼道这种狭长环境下的精确定位问题。
本发明一实施例提供了一种机器人导航定位方法，包括：根据激光扫描仪和超宽带无线接收器的检测数据计算机器人的位置；其中，激光扫描仪用于检测机器人相对于楼道两侧墙体的位置信息，超宽带无线接收器用于检测机器人沿楼道方向的位置信息。
本发明另一实施例提供了一种机器人导航定位装置，包括：计算模块，用于根据激光扫描仪和超宽带无线接收器的检测数据计算机器人的位置；其中，激光扫描仪用于检测机器人相对于楼道两侧墙体的位置信息，超宽带无线接收器用于检测机器人沿楼道方向的位置信息。
本发明又一实施例提供了一种机器人，包括上述机器人导航定位装置。
根据本发明实施例提供的机器人导航定位方法、装置及机器人，适用于类似楼道这种狭长环境，通过将激光扫描与超宽带无线定位相结合，利用激光扫描弥补了采用超宽带无线节点定位时，三个参考节点不能近似处于一条直线上的缺陷；同时又利用超宽带无线定位弥补了沿楼道方向上的墙体超出激光扫描的有效半径范围，而无法实现准确定位的缺陷，二者相互结合，实现了机器人的精确定位。
附图说明
图1所示为本发明一实施例提供的机器人导航定位方法流程图。
图2所示为本发明一实施例提供的楼道清洁机器人导航定位流程图。
图3所示为本发明一实施例提供的楼道清洁机器人导航定位示意图。
图4所示为本发明一实施例提供的图3中激光扫描定位原理图。
图5所示为本发明一实施例提供的图3中超宽带两点定位原理图。
图6所示为本发明一实施例提供的楼道清扫路线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为本发明一实施例提供的机器人导航定位方法流程图。该方法适用于狭长空间环境，例如楼道、长廊等，从图中可以看出，该方法包括：
步骤S101，根据激光扫描仪和超宽带无线接收器的检测数据计算机器人的位置；其中，激光扫描仪用于检测机器人相对于楼道两侧墙体的位置信息，超宽带无线接收器用于检测机器人沿楼道方向的位置信息。
激光扫描仪发射的激光束通过一个高速旋转的镜子对前方路径信息进行扫描，当激光束遇到障碍物被反射回来，通过检测单束激光往返时间来测量障碍物的距离。由于激光在空气中传播会产生能量损耗，从而造成测量误差，因此为了确保测量精确度，通常将激光扫描的有效半径设置为5m，而对于楼道环境，特别是宾馆、酒店这种场所的楼道长度通常会远远超过5m，使得激光扫描仪发射出去的激光只能被楼道两边的墙体反射，这样通过激光slam技术或较为简单的霍夫直线检测，只能测得机器人与两边墙体的垂直距离，而具有该垂直距离的点可以组成一条与两侧墙体平行的直线L1，则该直线L1上的任意一点都有可能是机器人的位置，从而无法确定机器人的精确位置。
超宽带是一种全新的无线通信技术，它不需要使用正弦载波，而是利用纳秒及以下的窄脉冲发射无线信号，其带宽可达GHz，穿透力强、多径分辨率高、定位性能好。超宽带实现定位的原理类似于WIFI和蓝牙，都是基于无线基站的三点定位。三点定位的原理是，不在同一条直线上的三个无线节点发射的无线信号以圆环的形式向外发射，必然形成三个以无线节点为圆心，以每一个无线节点到机器人的距离为半径的圆，三个圆交于一点，即机器人的位置。而对于楼道这种狭长环境，使得三个无线节点近似在一条直线上，按照上面的方式会得到两个交点，从而无法确定机器人的精确位置。
综上所述，单独采用激光扫描或者超宽带技术都无法实现类似于楼道这种狭长环境下的定位，然而，可以将激光扫描与超宽带无线定位相结合，利用激光扫描定位机器人相对两侧墙体的距离，得到直线L1，利用两个超宽带无线节点定位机器人的两个可能位置点，则两个可能位置点中位于直线L1上的那个位置点，即为机器人的精确位置，这样就可以实现机器人在楼道环境下的精确定位。
图2所示为本发明一实施例提供的楼道清洁机器人在楼道环境下实现导航定位的流程图。下面就以楼道清洁机器人为例，详细说明机器人在楼道环境下实现定位的具体过程。
图3所示为本发明一实施例提供的楼道清洁机器人导航定位示意图，其中O(x0、y0)点为机器人所在位置，A(x1、y1)、B(x2、y2)分别为两个超宽带无线节点，C、D代表楼道两边墙体，图中虚线代表机器人激光扫描有效范围，则该机器人实现导航定位的具体过程为：
步骤S1011，根据激光扫描仪的检测数据计算用于描述机器人所有可能位置的一条直线。
图4所示为本发明一实施例提供的如图3所示机器人采用激光扫描进行定位的原理图。从图中可以看出，虚线半圆范围内为激光扫描仪的检测范围，采用激光slam技术，或采用较为简单的霍夫直线检测，可以获得激光器与两边墙体，即直线C和D的距离d1和d2，从而得到一条平行于两侧墙体的直线L1，而当前机器人恰好位于直线L1上的某一点。本领域技术人员可以理解，对于狭长的楼道环境而言，其两侧墙体均可看作近似相互平行，这种情况下，就可以得到一条包含机器人当前位置的平行于两侧墙体的直线L1。而对于小范围内的非平行墙体单独使用激光扫描器就可以确定机器人当前位置，其不属于本发明保护范围。
步骤S1012，根据超宽带无线接收器的检测数据计算描述机器人可能位置的两个位置点，其中与所述超宽带无线接收器对应的超宽带无线节点包括至少两个，沿楼道方向间隔布置。
图5所示为本发明一实施例提供的如图3所示机器人采用超宽带进行两点定位的原理图。从图中可以看出，两个超宽带无线节点发射的无线信号以圆环的形式向外发散传播，则分别以两个超宽带无线节点为圆心，以两个超宽带无线节点到机器人的距离为半径的圆形必然存在两个交点(除了A、B、O三点共线的特殊情况)，其中一个交点即为机器人所在的位置。下面根据附图4结合公式推导计算两个交点的位置。
整个系统共用同一个时钟，从而实现两个超宽带无线节点和机器人时钟同步，则机器人接收到的两个超宽带无线节点发射的无线信号的时间差与光速的乘积即为机器人到两个超宽带无线节点的距离差(Δs＝r1-r2＝C*Δt，其中C为超宽带无线信号的传播速度，看作定值)，则存在如下关系：
其中：A(x1、y1)、B(x2、y2)、Δs已知，很容易求取O(x0、y0)，因为存在平方相，所以O点的坐标有两个，即得到两个机器人的可能位置。
在一个实施例中，每两个超宽带无线节点之间的间距为30米。
在一个实施例中，至少两个超宽带无线节点排成一排，并且与墙体平行。这样，便于坐标位置计算。
步骤S1013，分别判断两个位置点是否位于直线上，如果是，则为机器人的精确位置。
本领域技术人员可以理解，这里以楼道环境为例说明只是示例性的，对于类似的狭长环境都属于本发明的保护范围，对此不作限定。
根据本发明实施方式的楼道清洁机器人，在实现每层楼道环境精确定位的同时，还可以通过激光扫描仪实现精确避障，引导机器人精确出入电梯，通过超宽带无线节点来提供绝对的楼层信息，实现清洁机器人在整个楼宇的精确定位，从而实现楼道清洁机器人在整栋楼宇的自动定位功能。
在一个实施例中，如图1所示方法进一步包括：步骤S102，根据机器人的相对位置匹配环境地图中的栅格获取全局位置。根据本发明实施方式的环境地图采用栅格形式，栅格形式的地图是指将环境分解成规则地具有分辨率的栅格单元，每个栅格单元用一个概率值来表明它是否被障碍物所占据。该环境地图可以通过人工生成，预先存储到机器人系统，使用时直接调用。
在一个实施例中，对未知环境采用即时定位与地图构建(SLAM)技术进行及时地图创建并保存。当机器人第一次处于一个未知环境时，可以通过人工引导的方式，引领机器人遍历整个未知环境，在该遍历过程中，采用激光扫描仪结合超宽带无线接收器获得的数据，构建当前观测到的局部栅格地图，每经过一个预定周期对现有局部栅格地图进行更新，直到建立完整栅格地图，最后将创建完成的地图进行保存。这样不必每次开机重新建图，提高效率。
由于安装在公寓楼道中的机器人充电桩的位置与形状均是固定的，可以在环境地图中精确标注，因此当机器人需要进行充电时，仍然可以通过激光扫描结合超宽带无线节点的精确定位找到充电桩的具体位置。如果充电桩设置在本层则可以按照最近路线到达充电桩所在位置进行充电，否则，就定位到电梯门口，通过激光精确避障和定位出入电梯，到达充电桩所在楼层，进而定位到充电桩的具体位置进行充电。
本发明还提供了一种机器人导航定位装置，包括：计算模块，用于根据激光扫描仪和超宽带无线接收器的检测数据计算机器人的位置；其中，激光扫描仪用于检测机器人相对于楼道两侧墙体的位置信息，超宽带无线接收器用于检测机器人沿楼道方向的位置信息。
在一个实施例中，计算模块具体包括：
第一计算单元，用于根据激光扫描仪的检测数据计算包含机器人当前位置并且平行于楼道两侧墙体的一条直线；
第二计算单元，用于根据超宽带无线接收器的检测数据计算反映机器人可能位置的两个位置点，其中与所述超宽带无线接收器对应的超宽带无线节点包括至少两个，沿楼道方向间隔布置；
判断单元，用于判断所述两个位置点是否位于所述直线上，如果是，则为机器人的精确位置。
在一个实施例中，根据本发明实施例提供的机器人导航定位装置进一步包括：匹配模块，用于根据所述机器人的位置匹配环境地图中的栅格获取全局位置。
本发明还提供了一种机器人，包括上述机器人导航定位装置。当该机器人安装有清扫装置时，可以根据规划路线自主实现楼层清扫。图6所示为本发明一实施例提供的楼道清扫路线示意图。对于清扫路线的规划，需要尽可能覆盖楼道中的每个位置，在栅格地图已知的情况下，可以通过人工规划获得，当然也可以仍然采用激光扫描和超带宽相结合的定位方式进行自动规划。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机器人导航定位方法，适用于楼道环境，其特征在于，包括：
根据激光扫描仪和超宽带无线接收器的检测数据计算机器人的位置；
其中，激光扫描仪用于检测机器人相对于楼道两侧墙体的位置信息，超宽带无线接收器用于检测机器人沿楼道方向的位置信息；
所述根据激光扫描仪和超宽带无线接收器的检测数据计算机器人的位置，包括:
根据激光扫描仪的检测数据计算包含机器人当前位置并且平行于楼道两侧墙体的一条直线；
根据超宽带无线接收器的检测数据计算描述机器人可能位置的两个位置点，其中与所述超宽带无线接收器对应的超宽带无线节点包括至少两个，沿楼道方向间隔布置；
判断所述两个位置点是否位于所述直线上，如果是，则为机器人的精确位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少两个超宽带无线节点沿楼道方向排成一排。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，进一步包括：
根据所述机器人的位置匹配环境地图中的栅格获取全局位置。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述环境地图为机器人第一次处于未知环境时，采用即时定位与地图构建技术创建并保存。
5.一种机器人导航定位装置，其特征在于，包括：
计算模块，用于根据激光扫描仪和超宽带无线接收器的检测数据计算机器人的位置；其中，激光扫描仪用于检测机器人相对于楼道两侧墙体的位置信息，超宽带无线接收器用于检测机器人沿楼道方向的位置信息；
所述计算模块具体包括：
第一计算单元，用于根据激光扫描仪的检测数据计算包含机器人当前位置并且平行于楼道两侧墙体的一条直线；
第二计算单元，用于根据超宽带无线接收器的检测数据计算反映机器人可能位置的两个位置点，其中与所述超宽带无线接收器对应的超宽带无线节点包括至少两个，沿楼道方向间隔布置；
判断单元，用于判断所述两个位置点是否位于所述直线上，如果是，则为机器人的精确位置。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，进一步包括：
匹配模块，用于根据所述机器人的位置匹配环境地图中的栅格获取全局位置。
7.一种机器人，其特征在于，包括权利要求5或6所述的装置。
8.根据权利要求7所述的机器人，其特征在于，进一步包括清扫装置，用于楼道清扫。
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