CN106168802A - 一种用于移动机器人的位置感知装置 - Google Patents

一种用于移动机器人的位置感知装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机器人领域，提出一种用于移动机器人的位置感知装置，包括：位置控制装置、精确定位电机、地标识别装置、至少一个地标、陀螺仪；所述地标安装于所述移动机器人计划移动路径的某一个或几个枢纽点，所述位置控制装置用于计算移动机器人当前所在位置并控制所述移动机器人的移动路径，当在地标附近时开始寻找并接收地标识别装置反馈信号，及随时接收陀螺仪对于移动机器人行进表面倾斜角度信息，进而修正所述移动机器人的移动偏差；本发明具有实现简单，精确度高，可靠性好，解决了移动机器人在移动过程中有坡度、倾斜度等路面不平整的状况下路径设置复杂，精确度及可靠性不易控制的问题，大大降低了实现成本。

Description

一种用于移动机器人的位置感知装置
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种用于移动机器人的位置感知装置。
背景技术
随着人们生活水平的提高，越来越多的服务机器人被应用到生活和生产中，移动机器人定位是机器人实现各种复杂任务的前提和自主智能的首要问题。目前，移动机器人常用定位技术有：GPS定位技术、红外线定位技术、超声波定位技术、无线局域网的定位技术、磁条定位技术等。其中，GPS定位技术在室内定位中受到障碍物的遮蔽影响，以致其准确率不高；红外线定位技术则需要近距离接触平行的物体，无法推广应用；超声波定位技术虽然可以实现高精度定位，但是在复杂环境中容易受干扰，导致可靠性不高，且这类系统成本高，无法大面积推广；无线局域网的定位技术中室内的复杂环境会对信号造成衰减，从而降低定位精度。磁条定位技术因为需要铺设导轨等，设置复杂，易受实际条件限制。
电子标签(RadioFrequencyIdentification，RFID)技术是近年来兴起的一门自动识别技术，与传统的条形码系统、接触式IC卡等不同，RFID电子标签是利用无线射频方式进行非接触的双向数据通信，以达到识别并交换数据的目的。目前，RFID室内定位方法大多数是以超高频RFID或者高频RFID接收的信号强度指示(ReceivedSignalStrengthIndication，RSSI)为主，但是由于基于RSSI的定位系统在现实应用中存在定位干扰和积累误差，定位误差大，不具备大规模推广的实用价值。
而尤其在地面出现倾斜坡度的情况下，移动机器人的精确度和控制采用以上方式更加复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种易于实现，方案简单的移动机器人的位置感知装置。
本发明方案如下：
一种用于移动机器人的位置感知装置，其特征在于，包括：位置控制装置、 精确定位电机、地标识别装置、至少一个地标、陀螺仪；
所述位置控制装置、精确定位电机、地标识别装置、陀螺仪机械设置于移动机器人上；
所述地标安装于所述移动机器人计划移动路径的某一个或几个枢纽点，用于修正移动机器人的移动位置；所述位置控制装置用于计算机器人当前所在位置并控制所述移动机器人的移动路径，当在地标附近时开始寻找并接收地标识别装置反馈信号，及随时接收陀螺仪对于移动机器人行进表面倾斜角度信息，进而修正所述移动机器人的移动偏差；
所述精确定位电机是指能接收控制指令实现精度定位的电机如：伺服电机或步进电机；
所述地标识别装置用于识别地标位置，并反馈给位置控制装置；
所述陀螺仪用于识别移动机器人行进表面的倾斜度，并计算出倾斜角度反馈给控制装置，以计算三维空间中移动机器人位置及修正移动机器人的移动路径。
优选地，所述位置感知过程为：
设定所述移动机器人移动范围空间三维坐标轴为X轴、Y轴、Z轴，其中X轴、Y轴组成的坐标平面为水平面，Z轴为垂直于坐标平面的空间坐标轴；
设定所述移动机器人在所述空间移动路径映射在X轴、Y轴组成的坐标水平面内的移动路径F＝f(x,y)；
在移动路径的关键点上安装地标，并在位置控制装置上设定地标所在X轴、Y轴组成的坐标水平面上的坐标位置；
移动机器人按照设定路径通过位置控制装置驱动精确定位电机移动；
设定移动机器人移动过程中，在F上设定的位置坐标为(x,y)，陀螺仪检测到坐标平面出现倾斜坡度，陀螺仪检测并计算出倾斜坡度与X轴的夹角为θ1，坡度与Y轴的夹角为θ2，移动机器人在坡度上的位置映射在X轴与Y轴组成的坐标平面上的位置坐标为(x1,y1)，则
移动机器人在X轴的移动距离FX为：FX＝(x1-x)/cosθ1；
移动机器人在Y轴的移动距离Fy为：Fy＝(y1-y)/cosθ2；
当移动机器人移动到地标所在位置附近时，地标识别装置开始启动，位置控制装置自主寻找地标；
位置控制装置根据地标反馈信号时移动机器人在X轴、Y轴组成的空间水平面实际坐标位置并与设定路径在X轴、Y轴组成的空间水平面坐标位置对比，判断移动机器人移动路径是否有偏差；如果有，则计算偏差值，修正机器人当前位置和运动算法；如果否，则控制移动机器人正常沿设定路径行进。
优选地，所述移动机器人移动路径有偏差，则位置控制装置在移动机器人设定路径上选取归位点，移动机器人按照归位点为目标重新规划行进路径，直至所述移动机器人回到归位点，并继续按照原设定路径行进。
其中，所述归位点的选择可设置；所述重新规划行进路径可根据要求设置；
优选地，所述地标可以选为：地感线圈或者激光传感装置或者红外装置或者位移传感装置或者接近传感装置或者RFID；
优选地，所述移动机器人还包括：一个驱动轮，两个随动轮，分别机械设置于移动机器人底部；所述驱动轮设置于移动机器人沿行进方向的前部，两个随动轮设置于移动机器人沿行进方向的后部左右两端；所述驱动轮由第一精确定位电机驱动行进，所述驱动轮由带转向系统的第二精确定位电机驱动转向。
优选地，所述移动机器人还包括包括：两个驱动轮，两个随动轮，分别机械设置于移动机器人底部；所述两个驱动轮分别机械设置于移动机器人沿行进方向的前部左右两端，两个随动轮分别设置于移动机器人沿行进方向的后部左右两端；所述两个驱动轮分别由精确定位电机驱动；所述两个驱动轮速度相同则所述移动机器人行进，所述两个驱动轮速度快慢有差异则所述移动机器人实现转向。
优选地，所述移动机器人还包括：四个驱动轮，分别机械设置于移动机器人底部前后左右端；所述四个驱动轮分别由精确定位电机驱动；所述四个驱动轮的速度相同则所述移动机器人行进；通过沿移动机器人行进方向左右两侧的驱动轮速度快慢有差异则所述移动机器人实现转向或整体横向平移。
有益效果
本发明方案实现简单，精确度高，可靠性好，解决了移动机器人在移动过程中有坡度、倾斜度等路面不平整的状况下路径设置复杂，精确度及可靠性不易控制的问题，大大降低了实现成本。
附图说明
图1为用于移动机器人的位置感知装置的原理框图；
图2为用于移动机器人的位置感知装置的实施方式一示意图；
图3为用于移动机器人的位置感知装置的实施方式二示意图；
图4为用于移动机器人的位置感知装置的实施方式三示意图；
图5为用于移动机器人的位置感知装置的位置计算原理图；
图6为用于移动机器人的位置感知装置的倾斜坡度路径计算原理图。
具体实施方式
实施方式一
如图1、图2、图5、图6所示，一种用于移动机器人的位置感知装置，其特征在于，包括：位置控制装置、精确定位电机、地标识别装置、至少一个地标、陀螺仪；
所述位置控制装置、精确定位电机、地标识别装置、陀螺仪机械设置于移动机器人上；
为了保证实际使用效果，所述地标为两个或者多个；所述地标可以为两种类型或者多种类型同时使用，如地感线圈与激光测距装置同时使用等，以解决由于场地、位置、环境等所限部分地标类型不适用的问题；
所述地标安装于所述移动机器人计划移动路径的某一个或几个枢纽点，并不具体限定于地下、地面、四周、空中位置，用于配合地标识别装置反馈移动机器人的移动位置，以修正移动机器人的移动位置；所述地标可以为多个并可以为多种不同类型；所述地标可以选为地感线圈或者激光传感装置或者红外装置或者位移传感装置或者接近传感装置或者RFID等各种可以反馈位置的信号装置；所述地标识别装置与各地标信号装置对应，以便于信号识别；
所述位置控制装置用于计算机器人当前所在位置并控制所述移动机器人的移动路径，当在地标附近时开始寻找并接收地标识别装置反馈信号，及随时接收陀螺仪对于移动机器人行进表面倾斜角度信息，进而修正所述移动机器人的移动偏差；
所述精确定位电机是指能接收控制指令实现精度定位的电机如：伺服电机或步进电机；
所述地标识别装置用于识别地标位置，并反馈给位置控制装置；
所述陀螺仪用于识别移动机器人行进表面的倾斜度，并计算出倾斜角度反馈给控制装置，以计算三维空间中移动机器人位置及修正移动机器人的移动路径。
如图1所示，所述用于移动机器人位置感知装置的控制过程为：
步骤101，设定移动机器人移动范围的空间坐标；
具体为：设定所述移动机器人移动范围空间三维坐标轴为X轴、Y轴、Z轴，其中X轴、Y轴组成的坐标平面为水平面，Z轴为垂直于坐标平面的空间坐标轴；
步骤102，设定所述移动机器人在所述空间移动路径映射在X轴、Y轴组成的坐标水平面内的移动路径F＝f(x,y)；
具体为：以X轴、Y轴组成的坐标平面内的坐标为基础，设定移动机器人的移动路径，路径可以为直线、折线、曲线等各种形式。
步骤103，在移动路径的关键点上安装地标，并在位置控制装置上设定地标所在X轴、Y轴组成的坐标水平面上的坐标位置；
具体为：地标为移动机器人识别自身位置的参照，需要先设定地标在X轴、Y轴组成的坐标平面上的坐标位置，以便于具体确认计算移动机器人的平面坐标位置；
步骤104，移动机器人按照设定路径通过位置控制装置驱动精确定位电机移动；
设定移动机器人移动过程中，在F上设定的位置坐标为(x,y)，陀螺仪检测到坐标平面出现倾斜坡度，陀螺仪检测并计算出倾斜坡度与X轴的夹角为θ1，如图6a所示；坡度与Y轴的夹角为θ2，如图6b所示；移动机器人在坡度上的位置映射在X轴与Y轴组成的坐标平面上的位置坐标为(x1,y1)，则
移动机器人在X轴的移动距离FX为：FX＝(x1-x)/cosθ1；
移动机器人在Y轴的移动距离Fy为：Fy＝(y1-y)/cosθ2；
具体的，如果没有与X轴、Y轴组成的坐标平面相倾斜的坡度出现，则夹角θ1、θ2为零；
步骤105，当移动机器人移动到地标所在位置附近时，地标识别装置开始启动，位置控制装置自主寻找地标；
步骤106、107，位置控制装置根据地标反馈信号时移动机器人在X轴、Y轴组成的空间水平面实际坐标位置并与设定路径在X轴、Y轴组成的空间水平面坐标位置对比，判断移动机器人移动路径是否有偏差；如果有，则计算偏差值，修正机器人当前位置和运动算法；如果否，则控制移动机器人正常沿设定路径行进。
如图5所示，所述移动机器人设定的移动路径映射在X轴、Y轴组成的坐标水平面上的偏差计算为：
移动机器人的移动路径501为F＝f(x,y)，F上设定的位置坐标为502的坐标(x,y)点与坐标原点形成的直线L与平面坐标X轴的夹角设定为θ，所述移动机器人的实际位置503坐标为(x0,y0),移动机器人在X轴的偏差为Δx，移动机器人在Y轴的偏差为Δy，则：
Δx＝L cosθ-x0,Δy＝L sinθ-y0；
优选地，所述归位点可以选择移动机器人设定路径上的设定位置，也可以选择其他相对易于移动机器人回归设定路径的位置。
如图2所示，所述移动机器人还包括：一个驱动轮21，两个随动轮22、23，分别机械设置于移动机器人底部；所述驱动轮21分别机械设置于沿移动机器人 行进方向的前部，两个随动轮22、23设置于移动机器人沿行进方向的后部左右两端；所述驱动轮21由第一精确定位电机驱动行进，所述驱动轮由带转向系统的第二精确定位电机驱动转向。
具体为：位置控制装置按照设定的移动机器人移动路径计算并发送控制指令控制第一精确定位电机与第二精确定位电机，第一精确定位电机与第二精确定位电机根据控制指令驱动驱动轮21行进及转向，进而控制完成移动机器人的行进及转向。
优选地，所述转向系统为蜗轮蜗杆传动；
因为现实生活中的转向系统很多，如汽车的转向系统，自行车的转向系统等，在此只是将手动方向控制更改为了精确定位电机控制，此非本发明的发明点，因此可参考使用，不做详述。
实施方式二
如图3所示，实施方式二与实施方式一的区别仅在于，所述用于移动机器人的位置感知方法中移动机器人包括：两个驱动轮31、33，两个随动轮32、34，分别设置于移动机器人底部；所述两个驱动轮31、33分别机械设置于移动机器人沿行进方向的前部左右两端，两个随动轮32、34分别设置于移动机器人沿行进方向的后部左右两端；所述两个驱动轮31、33分别由精确定位电机驱动；所述两个驱动轮31、33速度相同则所述移动机器人行进，所述两个驱动轮速度快慢有差异则所述移动机器人实现转向；
具体为：位置控制装置按照设定的移动机器人移动路径计算并发送控制指令给两个精确定位电机，两个精确定位电机分别控制两个驱动轮31、33行进，如需移动机器人前进则控制两个驱动轮31、33速度相同，如需移动机器人转向则控制两个驱动轮31、33速度快慢差异，如速度快的驱动轮一侧会向速度慢的驱动轮一侧转向。
实施方式三
如图4所示，实施方式三与实施方式一的区别仅在于，所述用于移动机器人的位置感知方法中移动机器人包括包括：四个驱动轮分别为41、42、43、44，分别设置于移动机器人底部前后左右端；所述四个驱动轮分别为41、42、43、44，分别由精确定位电机驱动；所述四个驱动轮的速度相同则所述移动机器人行进；通过沿移动机器人行进方向左右两侧的驱动轮速度快慢有差异则所述移动机器人实现转向或整体横向平移；
具体为：位置控制装置按照设定的移动机器人移动路径计算并发送控制指令给四个精确定位电机，四个精确定位电机控制四个驱动轮行进，所述四个驱动轮的速度相同则所述移动机器人行进；如需移动机器人转向则位于机器人行进方向同侧的两个精确定位电机控制所对应的两个驱动轮速度相同，不同侧的驱动轮速度有差异，则实现移动机器人的转向，具体可参照实施方式二的转向方式，与此类似。
位置控制装置还可以按照设定的移动机器人移动路径计算并发送控制指令给四个精确定位电机，四个精确定位电机控制移动机器人按照两进两退移车入库的方式实现移动机器人的类似横向平移。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变形，而且性能或用途相同，都应视为本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种用于移动机器人的位置感知装置，其特征在于，包括：位置控制装置、精确定位电机、地标识别装置、至少一个地标、陀螺仪；
所述位置控制装置、精确定位电机、地标识别装置、陀螺仪机械设置于移动机器人上；
所述地标安装于所述移动机器人计划移动路径的某一个或几个枢纽点，用于修正移动机器人的移动位置；
所述位置控制装置用于计算移动机器人当前所在位置并控制所述移动机器人的移动路径，当在地标附近时开始寻找并接收地标识别装置反馈信号，及随时接收陀螺仪对于移动机器人行进表面倾斜角度信息，进而修正所述移动机器人的移动偏差；
所述精确定位电机是指能接收控制指令实现精度定位的电机如：伺服电机或步进电机；
所述地标识别装置用于识别地标位置，并反馈给位置控制装置；
所述陀螺仪用于识别移动机器人行进表面的倾斜度，并计算出倾斜角度反馈给控制装置，以计算三维空间中移动机器人位置及修正移动机器人的移动路径。
2.如权利要求1所述用于移动机器人的位置感知装置，其特征在于，所述位置感知过程为：
设定所述移动机器人移动范围空间三维坐标轴为X轴、Y轴、Z轴，其中X轴、Y轴组成的坐标平面为水平面，Z轴为垂直于坐标平面的空间坐标轴；
设定所述移动机器人在所述空间移动路径映射在X轴、Y轴组成的坐标水平面内的移动路径F＝f(x,y)；
在移动路径的关键点上安装地标，并在位置控制装置上设定地标所在X轴、Y轴组成的坐标水平面上的坐标位置；
移动机器人按照设定路径通过位置控制装置驱动精确定位电机移动；
设定移动机器人移动过程中，在F上设定的位置坐标为(x,y)，陀螺仪检测到坐标平面出现倾斜坡度，陀螺仪检测并计算出倾斜坡度与X轴的夹角为θ1，坡度与Y轴的夹角为θ2，移动机器人在坡度上的位置映射在X轴与Y轴组成的坐标平面上的位置坐标为(x1,y1)，则
移动机器人在X轴的移动距离FX为：FX＝(x1-x)/cosθ1；
移动机器人在Y轴的移动距离Fy为：Fy＝(y1-y)/cosθ2；
当移动机器人移动到地标所在位置附近时，地标识别装置开始启动，位置 控制装置自主寻找地标；
位置控制装置根据地标反馈信号时移动机器人在X轴、Y轴组成的空间水平面实际坐标位置并与设定路径在X轴、Y轴组成的空间水平面坐标位置对比，判断移动机器人移动路径是否有偏差；如果有，则计算偏差值，修正机器人当前位置和运动算法；如果否，则控制移动机器人正常沿设定路径行进。
3.如权利要求2所述用于移动机器人的位置感知装置，其特征在于，还包括：
所述移动机器人移动路径有偏差，则位置控制装置在移动机器人设定路径上选取归位点，移动机器人按照归位点为目标重新规划行进路径，直至所述移动机器人回到归位点，并继续按照原设定路径行进。
4.如权利要求3所述用于移动机器人的位置感知装置，其特征在于：
所述归位点的选择可设置；
所述重新规划行进路径可根据要求设置。
5.如权利要求1或2或3或4所述用于移动机器人的位置感知装置，其特征在于，所述地标可以选为：地感线圈或者激光传感装置或者红外装置或者位移传感装置或者接近传感装置或者RFID。
6.如权利要求1或2或3或4所述用于移动机器人的位置感知装置，其特征在于，所述移动机器人还包括：一个驱动轮，两个随动轮，分别机械设置于移动机器人底部；所述驱动轮设置于移动机器人沿行进方向的前部，两个随动轮设置于移动机器人沿行进方向的后部左右两端；所述驱动轮由第一精确定位电机驱动行进，所述驱动轮由带转向系统的第二精确定位电机驱动转向。
7.如权利要求1或2或3或4所述用于移动机器人的位置感知装置，其特征在于，所述移动机器人还包括包括：两个驱动轮，两个随动轮，分别机械设置于移动机器人底部；所述两个驱动轮分别机械设置于移动机器人沿行进方向的前部左右两端，两个随动轮分别设置于移动机器人沿行进方向的后部左右两端；所述两个驱动轮分别由精确定位电机驱动；所述两个驱动轮速度相同则所述移动机器人行进，所述两个驱动轮速度快慢有差异则所述移动机器人实现转向。
8.如权利要求1或2或3或4所述用于移动机器人的位置感知装置，其特征在于，所述移动机器人还包括：四个驱动轮，分别机械设置于移动机器人底部前后左右端；所述四个驱动轮分别由精确定位电机驱动；所述四个驱动轮的速度相同则所述移动机器人行进；通过沿移动机器人行进方向左右两侧的驱动轮速度快慢有差异则所述移动机器人实现转向或整体横向平移。
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