CN106338991A

CN106338991A - 一种基于惯性导航和二维码的机器人及定位导航方法

Info

Publication number: CN106338991A
Application number: CN201610742287.4A
Authority: CN
Inventors: 吴益飞; 蔡俊杰; 郭健; 徐航宇; 陈庆伟; 李胜; 金立伟; 刘小壮; 周梦兰; 芦梦兰; 洪宇
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2017-01-18

Abstract

本发明提供了一种基于惯性导航和二维码的机器人定位导航方法。该方法包括：机器人从起始位置出发，向目标位置移动；在运动过程中，机器人惯性测量装置连续测得机器人航向角和速度，推算机器人运动轨迹并修正机器人行驶方向；机器人扫描到地面上的二维码图片，读取二维码中的位置信息，确定机器人的当前位置；根据惯性测量装置和二维码信息，修正机器人轨迹路线，确定机器人的移动路线；机器人到达目标位置。该方法实现了通过惯性导航和二维码来确定机器人的位置和航向的功能，减小了位置误差，从而使机器人快速到达目标位置。

Description

一种基于惯性导航和二维码的机器人及定位导航方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是一种室内移动机器人及位置定位导航方法。

背景技术

随着计算机技术、传感器技术以及现代控制技术的高速发展，机器人的种类变得越来越丰富，并逐步从传统的工业领域走进人们的日常生活。在不久的未来，人们可以在展厅、图书馆、仓库、超市等场所看到各种各样的机器人。因此，作为室内移动机器人关键技术的定位与导航，其需求也越来越大。

室内定位技术应用的区域是封闭或半封闭空间，环境复杂。根据不同的环境、应用和需求，用于室内定位的技术主要有：激光、红外、超声波、视觉、磁条导引等方式。其中红外和超声波存在较大工作盲区，定位误差非常大；激光和视觉定位不仅价格昂贵，而且开发难度大。

惯性测量器件为基础的惯性导航系统，可以实时测量机器人的速度和和航向角，根据这些信息可对机器人进行定位与导航。组成惯性导航系统的加速计和陀螺仪工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，可应用于各种环境，是一种自主式导航系统，广泛应用于机器人领域。但是，一般的惯性测量模块存在一定的测量误差，随着机器人的移动，误差不断积累，使机器人偏离目标路径。因此，需要额外的参考点，让机器人自我修复路线。

二维码能够在很小的面积内表达大量的信息，具有输入速度快、准确度高、成本低、可靠性强等优点，被广泛应用于各个领域。因此，可以采用扫描二维码的方式来确定机器人所在的具体位置。

现有的机器人只是单纯的利用设置在地面上的二维码进行定位，功能比较单一。

由上可知，目前急需一种基于惯性导航和二维码的定位导航方式，即可利用惯性导航也可利用二维码进行定位，消除惯性导航装置的累计误差，弥补惯性导航的不足，但是现有技术中尚无相关描述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于惯性导航和二维码的机器人及定位导航方法。通过惯性导航和二维码来确定机器人的位置并修正机器人的运行路线，改善了现有的定位导航精度较低的不足，提高了机器人定位导航的精确性，从而可以确保控制机器人快速到达目标位置。

一种基于惯性导航和二维码的机器人，包括：

主控模块，用于负责处理各种数据计算，并协调各个模块的工作；

运动控制模块，用于控制机器人的运动；

数据存储模块，用于存储各种数据信息；

二维码扫描模块，包括二维码扫描仪，用于扫描二维码获得当前位置信息，提供给主控模块计算；

惯性导航模块，包括速度计和陀螺仪，分别测量机器人的速度和航向角，并提供给主控模块计算获得机器人的航行路线；

无线通讯模块，用于进行无线通信；

电池电量监测模块，用于完成电量的监测和电池运行状态的监测，将所测的电池电量值提供给主控模块，然后主控模块通过无线通讯模块传送给上位机。

一种基于惯性导航和二维码的机器人定位导航方法，包括以下步骤：

步骤1、机器人初始化，之后从起始位置出发，向目标位置移动；

进一步，所述机器人从起始位置出发，向目标位置移动包括，机器人初始化，确定机器人初始位置坐标信息(X₀,Y₀)。上位机向机器人发送指令，通过无线wifi通信模块传送信息，机器人接收到指令，获得目标位置信息(X_n,Y_n)，计算起始点和终点的相对方位，确定机器人运动方向并移动。

ψ = \arctan \frac{Y_{n} - Y_{0}}{X_{n} - X_{0}}

步骤2、在运动过程中，机器人惯性测量装置连续测得机器人航向角和速度，推算机器人运动轨迹并修正机器人行驶发向；

进一步，所述惯性测量装置包括速度计和陀螺仪。速度计测量机器人的各个时刻的速度信息。陀螺仪测得机器人的航向角。建立导航坐标系x0y，惯性测量装置时刻测量机器人的速度V和航向角θ，采样时间为T，根据初始位置和速度信息推算机器人导航坐标系中的位置(x，y)，其中点(X₀,Y₀)、(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)…(X_k,Y_k)处的偏角为θ₀、θ₁、θ₂…θ_k，速度为V₀、V₁…V_k。通过计算，可以获得机器人的运动轨迹。

\{\begin{matrix} X_{k} = X_{0} + Σ_{i = 0}^{k - 1} V_{i} T \times {sinθ}_{i} \\ Y_{k} = Y_{0} + Σ_{i = 0}^{k - 1} V_{i} T \times {cosθ}_{i} \end{matrix}

然后根据机器人导航坐标系中的位置(x，y)，修正机器人运动方向，计算公式为：

ψ_{k}^{'} = \arctan \frac{Y_{n} - Y_{k}}{X_{n} - X_{k}}

Δδ_k＝ψ′_k-θ_k

其中ψ′_k是当前推算位置到目标点位置的角度值，Δδ_k为机器人需要转动的角度值。

步骤3、机器人扫描设置在地面上的二维码图片，读取二维码中的位置信息，确定机器人的当前位置；将扫描的二维码图片位置作为新起点(X₀’,Y₀’)，返回步骤2直至机器人到达目标位置。

进一步，所述的机器人扫描二维码包括：二维码快速扫描装置和二维码。其中，二维码快速扫描装置安装在机器人底部，垂直扫描地面上的二维码。另外，所述二维码的码体采用统一的规格，码体的尺寸为25mm*25mm，按照边长为1m矩形间隔分布在室内地面上，包含有当前点距离起始点的坐标信息。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明基于惯性导航和二维码的机器人定位导航方法，通过惯性导航和二维码来确定机器人的位置并修正机器人的运行路线，改善了现有的定位导航精度较低的不足，提高了机器人定位导航的精确性，从而可以确保控制机器人快速到达目标位置，实现在室内这种复杂环境下自主导航。而且，成本较低，易于推广。

附图说明

图1所示为本发明一种基于惯性导航和二维码的机器人定位导航方法的步骤图。

图2所示为本发明一种基于惯性导航和二维码的机器人定位导航方法流程图。

图3所示为本发明一种基于惯性导航和二维码的机器人定位导航方法的位置推算原理图。

图4所示为本发明一种基于惯性导航和二维码的机器人定位导航方法的场景应用图。

图5所示为本发明一种基于惯性导航和二维码的机器人定位导航方法的一种实现结构示意图。

具体实施方式：

本发明的一种基于惯性导航和二维码的机器人，包括：

运动控制模块，用于控制机器人的运动；

数据存储模块，用于存储各种数据信息；

无线通讯模块，用于进行无线通信；

结合图1，一种基于上述机器人的定位导航方法，所述机器人在布设有二维码的地面上行驶，包括以下步骤：

步骤1、机器人初始化，之后从起始位置出发，向目标位置移动；机器人初始化包括：

步骤1-1、确定机器人初始位置坐标信息(X₀,Y₀)；

步骤1-2、接收上位机指令，得到目标位置坐标信息(X_n,Y_n)；

步骤1-3、计算起始点和终点的相对方位，确定机器人运动方向

ψ = \arctan \frac{Y_{n} - Y_{0}}{X_{n} - X_{0}} .

步骤2、在运动过程中，机器人惯性测量装置连续测得机器人航向角和速度，推算机器人运动轨迹并修正机器人行驶方向；具体为：

步骤2-1、建立导航坐标系x0y；

步骤2-2、惯性测量装置时刻测量机器人的速度V和航向角θ，采样时间为T；

步骤2-3、根据初始位置和速度信息推算机器人导航坐标系中的位置(x，y)，其中点(X₀,Y₀)、(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)…(X_k,Y_k)处的航向角为θ₀、θ₁、θ₂…θ_k，速度为V₀、V₁…V_k，推算轨迹计算公式为：

\{\begin{matrix} X_{k} = X_{0} + Σ_{i = 0}^{k - 1} V_{i} T \times {sinθ}_{i} \\ Y_{k} = Y_{0} + Σ_{i = 0}^{k - 1} V_{i} T \times {cosθ}_{i} \end{matrix};

步骤2-4、根据机器人导航坐标系中的位置(x，y)，修正机器人运动方向，计算公式为：

ψ_{k}^{'} = \arctan \frac{Y_{n} - Y_{k}}{X_{n} - X_{k}}

Δδ_k＝ψ′_k-θ_k

步骤3、机器人扫描设置在地面上的二维码图片，读取二维码中的位置信息，确定机器人的当前位置；将扫描的二维码图片位置作为新起点，返回步骤2直至机器人到达目标位置。

地面上的二维码图片中，所有二维码图片呈矩形排列，相邻两个图片之间的间距为1m，将扫描的二维码图片位置作为新起点(X₀’,Y₀’)，返回步骤2直至机器人到达目标位置。

下面进行更加详细、完整地描述：

图1是本发明一种基于惯性导航和二维码的机器人定位导航方法的步骤图。如图1所示，本发明提供一种基于惯性导航和二维码的机器人定位导航方法，包括：步骤S10机器人从起始位置出发，向目标位置移动；步骤S20在运动过程中，机器人惯性测量装置连续测得机器人航向角和速度，推算机器人运动轨迹并修正机器人行驶方向；步骤S30机器人扫描到地面上的二维码图片，读取二维码中的位置信息，确定机器人的当前位置；步骤S40根据惯性测量装置和二维码信息，修正机器人轨迹路线，确定机器人的移动路线。步骤S50机器人到达目标位置。

如图2所示。步骤S101机器人初始化，确定机器人初始位置坐标信息(X₀,Y₀)；步骤S102上位机向机器人发送指令，通过无线wifi通信模块传送信息，机器人接收到指令，获得目标位置信息(X_n,Y_n)；步骤S103，计算起始点和终点的相对方位，确定机器人运动方向并目标位置方向移动。

ψ = \arctan \frac{Y_{n} - Y_{0}}{X_{n} - X_{0}}

机器人接收指令过后，经过步骤S201建立导航坐标系x0y；在移动的过程中，步骤S202惯性测量装置时刻测量机器人的速度V和航向角θ，采样时间为T；经过步骤S203根据初始位置和速度信息推算机器人导航坐标系中的位置(x，y)，其中点(X₀,Y₀)、(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)…(X_k,Y_k)处的偏角为θ₀、θ₁、θ₂…θ_k，速度为V₀、V₁…V_k。推算过程如图3所示。

\{\begin{matrix} X_{k} = X_{0} + Σ_{i = 0}^{k - 1} V_{i} T \times {sinθ}_{i} \\ Y_{k} = Y_{0} + Σ_{i = 0}^{k - 1} V_{i} T \times {cosθ}_{i} \end{matrix}

然后步骤S204根据机器人导航坐标系中的位置(x，y)，修正机器人运动方向，计算公式为：

ψ_{k}^{'} = \arctan \frac{Y_{n} - Y_{k}}{X_{n} - X_{k}}

ΔΔ_k＝ψ′_k-θ_k

因为惯性导航测量装置难免有测量误差，而且机器人在行驶过程中，轮子打滑各种原因，机器人不能十分精确的按照规划的路线行驶，存在着一定的行驶误差，所有为了减少惯性导航的累积误差，步骤S301室内地面按照间距1m*1m矩形方式贴有二维码，这些二维码含有当前位置信息；步骤S302在机器人底盘上安装有二维码扫描装置，机器人移动过程中，扫描装置扫描到二维码；步骤S303单片机解析二维码信息，获得当前机器人位置信息(X₀’,Y₀’)。步骤S304以当前位置为新的起点。然后返回步骤2直到到达目标位置。

如图4所示，描绘了本发明提供的导航方法的应用场景。为了室内地面的美观，不能在地面上贴满二维码，所以在机器人在行驶过程中不是时刻都有二维码定位当前位置。在没检测到二维码之前，机器人按照前一个点规划的路线行驶。在行驶过程中，机器人扫描到二维码，就以当前位置为起点，重新规划新的行驶路线，修正以前路线的偏差，如此循环，直到步骤S50机器人到达目标位置。

进一步，如图5所示，给出了一种基于惯性导航和二维码的机器人定位导航方法的一种实现方式。机器人的系统结构包括：主控模块；无线通讯模块；惯性导航模块；二维码模块；数据存储模块；运动控制模块；电池电量监测模块以及上位机。

主控模块统负责处理各种数据计算，并协调各个模块的工作；运动控制模块主要是负责控制机器人运动控制；数据存储模块存储各种数据信息，提供协调主控模块计算；二维码模块中有二维码扫描仪，扫描二维码获得当前位置信息，提供给主控模块计算；惯性导航模块由加速度计和陀螺仪构成，分别测量机器人的加速度和航向角，并提供给主控模块计算获得机器人的航行路线；上位机通过无线通讯模块向机器人发送指令，机器人也通过无线通讯方式向上位机返回机器人的运行状态；电池电量监测模块主要是负责电量的监测和电池运行状态的监测，将所测的电池电量值提供给主控模块，然后主控模块通过无线通讯模块传送给上位机。

本发明基于惯性导航和二维码的机器人定位导航方法，通过惯性导航和二维码来确定机器人的位置并修正机器人的运行路线，改善了现有的定位导航精度较低的不足，提高了机器人定位导航的精确性，从而可以确保控制机器人快速到达目标位置，实现在这种人的流动性大，空间小的复杂环境下自主导航。而且，成本较低，易于推广。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例

一种基于机器人的定位导航方法，包括以下步骤：

步骤1、机器人初始化完毕获得初始位置坐标信息(0，0)，接收上位机指令获得目标位置坐标信息(5,5)。计算得出机器人行驶方向角度ψ为：

步骤2、机器人开始向目标行驶，惯性装置每1s采集一次数据，4次采集的数据分别为θ₀＝45°、θ₁＝4°、θ₂＝52°、θ₃＝63°，速度为V₀＝0.5m/s、V₁＝1.1m/s、V₂＝1.5m/s、V₃＝1.5m/s，则(X₀,Y₀)、(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)、(X₃,Y₃)、(X₄,Y₄)，分别为：(0，0)、(0.35，0.35)、(0.43，1.45)、(1.61,2.37)、(2.94,3.05)可推算出机器人的运动轨迹。

\{\begin{matrix} X_{k} = X_{0} + Σ_{i = 0}^{k - 1} V_{i} T \times {sinθ}_{i} \\ Y_{k} = Y_{0} + Σ_{i = 0}^{k - 1} V_{i} T \times {cosθ}_{i} \end{matrix}

ψ_{k}^{'} = \arctan \frac{Y_{n} - Y_{k}}{X_{n} - X_{k}}

Δδ_k＝ψ′_k-θ_k-1

可得ψ′₁＝45.0°、Δδ₁＝0°，ψ′₂＝37.8°、Δδ₂＝33.8°，ψ′₃＝37.8°、Δδ₃＝-14.2°ψ′₄＝43.4°、Δδ₄＝1.6°。机器人分别在(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)、(X₃,Y₃)、(X₄,Y₄)位置进行方向修正，角度值分别改变Δδ₁＝0°、Δδ₂＝33.8°、Δδ₃＝-14.2°、Δδ₄＝1.6°。

步骤3、在室内地面按照间距1m*1m矩形方式贴有二维码，这些二维码含有当前位置信息；在机器人底盘上安装有二维码扫描装置，机器人移动过程中，扫描装置扫描到二维码；单片机解析二维码信息，获得当前机器人位置信息(X₀’,Y₀’)，以此为新的起点，返回步骤2直至机器人到达目标位置。

由上可知，本发明基于惯性导航和二维码的机器人定位导航方法，通过惯性导航和二维码来确定机器人的位置并修正机器人的运行路线，改善了现有的定位导航精度较低的不足，提高了机器人定位导航的精确性。

Claims

1.一种基于惯性导航和二维码的机器人，其特征在于，包括：

运动控制模块，用于控制机器人的运动；

数据存储模块，用于存储各种数据信息；

无线通讯模块，用于进行无线通信；

2.一种基于权利要求1所述机器人的定位导航方法，所述机器人在布设有二维码的地面上行驶，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2、在运动过程中，机器人惯性测量装置连续测得机器人航向角和速度，推算机器人运动轨迹并修正机器人行驶方向；

3.根据权利要求2所述基于惯性导航和二维码的机器人定位导航方法，其特征在于，步骤1机器人初始化包括：

步骤1-1、确定机器人初始位置坐标信息(X₀,Y₀)；

步骤1-2、接收上位机指令，得到目标位置坐标信息(X_n,Y_n)；

ψ = a r c t a n \frac{Y_{n} - Y_{0}}{X_{n} - X_{0}} .

4.根据权利要求2所述基于惯性导航和二维码的机器人定位导航方法，其特征在于，步骤2中机器人惯性测量装置连续测得机器人航向角和速度，推算机器人运动轨迹并修正机器人行驶发向，具体为：

步骤2-1、建立导航坐标系x0y；

\{\begin{matrix} X_{k} = X_{0} + Σ_{i = 0}^{k - 1} V_{i} T \times {sinθ}_{i} \\ Y_{k} = Y_{0} + Σ_{i = 0}^{k - 1} V_{i} T \times {cosθ}_{i} \end{matrix};

ψ_{k}^{'} = a r c t a n \frac{Y_{n} - Y_{k}}{X_{n} - X_{k}}

Δδ_k＝ψ′_k-θ_k

5.根据权利要求2所述基于惯性导航和二维码的机器人定位导航方法，其特征在于，步骤3中地面上的二维码图片中，所有二维码图片呈矩形排列，相邻两个图片之间的间距为1m，将扫描的二维码图片位置作为新起点(X₀’,Y₀’)，返回步骤2直至机器人到达目标位置。