CN106405605A - 一种机器人基于ros和gps的室内外无缝定位方法和定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人基于ROS和GPS的室内外无缝定位方法，包括如下步骤：建立室内导航地图和由室内向室外延伸一段距离的室外导航地图；由室外到室内的入口处张贴ar_marker，利用摄像头扫描ar_marker，设定ar_marker在二维导航地图中的坐标；室内导航地图获取机器人在室内的位置；机器人由室内行走到室外导航地图范围内时，通过室外导航地图获取机器人在此范围内的位置同时在室外导航地图范围内能保证室内导航模式切换到室外的GPS模式；机器人由室外行走到室内时，通过摄像头扫描入口处张贴的ar_marker，将ar_marker在二维导航地图中的坐标初始化为机器人的初始化坐标，并由室外的GPS模式切换到室内导航模式。本发明实现了机器人从室内到室外或从室外到室内都能缝切换导航模式。
Description
技术领域
本发明属于机器人定位技术领域，特别是涉及一种机器人基于ROS和GPS的室内外无缝定位方法和定位系统。
背景技术
移动机器人是一种可在复杂环境下工作，具有自规划、自组织、自适应能力的机器人，具有行动快捷、工作效率高、结构简单、可控性强、安全性好等优势，目前在国内外正在被广泛的应用。
在移动机器人相关技术研究中，导航技术属于其核心技术，也是实现智能化和自主移动的关键技术。目前常见的导航方式有电磁导航、惯性导航、视觉导航、无线导航、卫星导航、传感器数据导航等等。
无线导航：如专利号201510709583.X公开的一种室内机器人定位系统，所述定位系统包括定位模块、工控机模块、PLC模块和移动模块，其中：所述定位模块包括RFID读写器、RFID标签、无线网络和机器人，所述RFID标签作为定位参考点，所述RFID标签等距地铺满整个机器人运动平面，所述RFID读写器置于所述机器人底部，并与所述无线网络相连，所述无线网络作为通信载体，所述RFID标签接收距离20cm内的RFID读写器发来的射频信息，经过调制、解码进行判断，将存储的位置信息发出去，实现反馈，所述RFID读写器接收反馈信息并将之传递给所述工控机模块。
传感数据导航：如专利号201510784502.2公开的一种机器人的地图创建及定位方法，所述包括以下步骤，S1：机器人采集传感器数据；S2：机器人将传感器数据通过无线网络发送至云端服务器；S3：云端服务器根据接收到的传感器数据创建地图及生成机器人定位信息；S4：云端服务器将地图信息及定位信息通过无线网络发送至机器人和用户终端。
对于以上传统的导航方式或多或少存在着一些弊端，电磁导航灵活性差，定位不准确，智能性不高且大面积磁条铺设维护成本高。
卫星导航多用于机器人的室外导航，然而机器人在室内时，因为没有GPS信号不能定位，主要依靠室内导航技术，但是室内导航技术进入到室外后便不再适用，因而机器人从室内行走到室外或从室外行走到定内，将无法准确获取机器人的位置。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术的不足，提供了一种机器人基于ROS和GPS的室内外无缝定位方法和定位系统，本发明实现了机器人从室内到室外或从室外到室内都能无缝切换导航模式，即实现了机器人从室内到室外或从室外到室内导航的无缝拼接，机器人室内导航模式与室外的GPS导航模式的无缝切换，以获取机器人行走在室内或室外的位置，以对机器人行走进行路径规划，定位准确，不会出现机器人位置丢失等的情况。
为了实现上述目的，本发明提供了一种机器人基于ROS和GPS的室内外无缝定位方法，包括如下步骤：
步骤一、微型主机内安装ROS操作系统，利用ROS操作系统配合点云算法把采集到的摄像头环境数据生成二维点云数据，并利用gmapping框架和粒子滤波算法进行局部优化建立室内导航地图和由室内向室外延伸一段距离的室外导航地图，由室内导航地图和室外导航地图组成二维导航地图，并将二维导航地图保存至微型主机内；
步骤二、由室外到室内的入口处张贴ar_marker，利用摄像头扫描ar_marker，以获取ar_marker的ID信息和相对于机器人的姿态信息，同时设定ar_marker在二维导航地图中的坐标并保存至微型主机内；
步骤三、机器人在室内行走时通过室内导航地图获取机器人在室内的位置；
步骤四、机器人由室内行走到室外导航地图范围内时，通过室外导航地图获取机器人在此范围内的位置同时在室外导航地图范围内能保证室内导航模式切换到室外的GPS模式，使得机器人行走在室外导航地图范围外时，通过GPS获取机器人在室外的位置；
步骤五、机器人由室外行走到室内时，通过摄像头扫描入口处张贴的ar_marker，识别ar_marker并从微型主机内调取ar_marker的姿态信息和ar_marker在二维导航地图中的坐标；
步骤六、将ar_marker在二维导航地图中的坐标初始化为机器人的初始化坐标，并由室外的GPS模式切换到室内导航模式，使得机器人进入室内后通过室内导航地图获取机器人在室内的位置。
进一步地，在步骤三中，机器人在室内行走过程中，微型主机的ROS操作系统将摄像头采集到的室内环境中的物体信息转换成三维点云数据，再转化成二维点云数据，以得到摄像头相对于物体的距离，当摄像头相对于物体的距离在障碍物范围内时，通过微处理器改变底座上驱动电机的PWM以控制机器人减速行驶并转向绕开障碍物。
进一步地，在步骤三中，机器人在室内行走过程中，碰撞检测单元检测摄像头扫描不到的区域是否有低障碍物，红外悬空检测单元检测路面是否有深坑，碰撞检测单元和红外悬空检测单元分别将检测数据通过微处理器发送给微型主机，微型主机内的ROS操作系统根据检测数据绕开障碍物。
进一步地，在步骤四中，机器人由室内行走到室外导航地图范围内时，微型主机发送请求与机器人上的GPS单元建立通讯，同时在室内导航地图延伸到室外的范围内能保证微型主机与GPS单元建立通讯，以将室内导航模式切换到室外的GPS模式，GPS单元获取定位数据，微型主机接收GPS单元发送的定位数据。
进一步地，在室外建立区域基准站，区域基准站上的GPS接收器接收GPS数据，区域基准站上的微控制单元根据GPS数据和区域基准站的经纬度坐标偏差计算定位修正数，并将定位修正数发送给服务器，服务器将定位修正数同步发送给微型主机，微型主机根据GPS单元接收的GPS数据结合定位修正数，以定位机器人在室外的位置。
进一步地，在步骤四中，机器人在室外行走过程中，微型主机的ROS操作系统将摄像头采集到的室外环境中的物体信息转换成三维点云数据，以得到摄像头相对于空间三维物体的距离，当摄像头相对于空间三维物体的距离在障碍物范围内时，通过微处理器改变底座上驱动电机的PWM以控制机器人减速行驶并转向绕开障碍物。
进一步地，在步骤四中，机器人在室外行走过程中，碰撞检测单元检测摄像头扫描不到的低空障碍物，红外悬空检测单元检测路面是否有深坑，碰撞检测单元和红外悬空检测单元分别将检测数据通过微处理器发送给微型主机，微型主机内的ROS操作系统根据检测数据绕开障碍物。
本发明还提供了一种采用所述室内外无缝定位方法的定位系统，包括安装于机器人上的微型主机、摄像头和GPS单元，以及安装于机器人底座上的驱动电机、微处理器、红外悬空检测单元和碰撞检测单元，所述微型主机分别与所述摄像头、GPS单元和微处理器相连接，所述微处理器分别与所述驱动电机、红外悬空检测单元和碰撞检测单元相连接。
进一步地，所述定位系统还包括区域基准站和服务器，所述区域基准站上设置有包括GPS接收器和微控制单元，所述GPS接收器与所述微控制单元相连接，所述微控制单无与所述服务器网络通讯，所述服务器与所述微型主机网络通讯。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的机器人从室内行走到室外时，通过室内导航地图延伸到室外导航地图的范围内能确保机器人从室内导航模式切换到室外的GPS模式，以实现机器人从室内到室外导航模式的无缝切换。而当机器人从室外行走到定内时，通过入口处的ar_marker对机器人位置初始化，以重新定位机器人进入室内时的起始位置，保证了机器人不会从室外到室内丢失自己的位置，同时保障重新回到室内能准确的进行室内导航。
2、本发明在室外建立有区域基准站，通过区域基准站上的GPS接收器接收GPS数据，以通过微控制单元根据GPS数据和区域基准站的经纬度坐标偏差计算定位修正数，并将定位修正数发送给服务器，服务器将定位修正数同步发送给微型主机，微型主机根据GPS单元接收的GPS数据结合定位修正数，以定位机器人在室外的位置，从而大大提高了机器人在室外的定位精度，以实现更好的室外定位。
3、本发明通过摄像头结合红外悬空检测单元和碰撞检测单元实现了机器人室内行走和室外行走过程中，机器人有效壁障的功能，提高了机器人行走过程中的安全性。
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为本发明实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对发明进一步说明，但不用来限制本发明的范围。
实施例
如图1所示，本发明提供的一种机器人基于ROS和GPS的室内外无缝定位方法，包括如下步骤：
步骤一、微型主机内安装ROS操作系统，利用ROS操作系统配合点云算法把采集到的摄像头环境数据生成二维点云数据，并利用gmapping框架和粒子滤波算法进行局部优化建立室内导航地图和由室内向室外延伸一段距离的室外导航地图，由室内导航地图和室外导航地图组成二维导航地图，并将二维导航地图保存至微型主机内；
步骤二、由室外到室内的入口处张贴ar_marker，利用摄像头扫描ar_marker，以获取ar_marker的ID信息和相对于机器人的姿态信息，同时设定ar_marker在二维导航地图中的坐标并保存至微型主机内；
步骤三、机器人在室内行走时通过室内导航地图获取机器人在室内的位置；
步骤四、机器人由室内行走到室外导航地图范围内时，通过室外导航地图获取机器人在此范围内的位置同时在室外导航地图范围内能保证室内导航模式切换到室外的GPS模式，使得机器人行走在室外导航地图范围外时，通过GPS获取机器人在室外的位置；
步骤五、机器人由室外行走到室内时，通过摄像头扫描入口处张贴的ar_marker，识别ar_marker并从微型主机内调取ar_marker的姿态信息和ar_marker在二维导航地图中的坐标；
步骤六、将ar_marker在二维导航地图中的坐标初始化为机器人的初始化坐标，并由室外的GPS模式切换到室内导航模式，使得机器人进入室内后通过室内导航地图获取机器人在室内的位置。
在步骤三中，机器人在室内行走过程中，微型主机的ROS操作系统将摄像头采集到的室内环境中的物体信息转换成三维点云数据，再转化成二维点云数据，以得到摄像头相对于物体的距离，当摄像头相对于物体的距离在障碍物范围内时，通过微处理器改变底座上驱动电机的PWM以控制机器人减速行驶并转向绕开障碍物。
在步骤三中，机器人在室内行走过程中，碰撞检测单元检测摄像头扫描不到的区域是否有低障碍物，红外悬空检测单元检测路面是否有深坑，碰撞检测单元和红外悬空检测单元分别将检测数据通过微处理器发送给微型主机，微型主机内的ROS操作系统根据检测数据绕开障碍物。
在步骤四中，机器人由室内行走到室外导航地图范围内时，微型主机发送请求与机器人上的GPS单元建立通讯，同时在室内导航地图延伸到室外的范围内能保证微型主机与GPS单元建立通讯，以将室内导航模式切换到室外的GPS模式，GPS单元获取定位数据，微型主机接收GPS单元发送的定位数据。
在室外建立区域基准站，区域基准站上的GPS接收器接收GPS数据，区域基准站上的微控制单元根据GPS数据和区域基准站的经纬度坐标偏差计算定位修正数，并将定位修正数发送给服务器，服务器将定位修正数同步发送给微型主机，微型主机根据GPS单元接收的GPS数据结合定位修正数，以定位机器人在室外的位置。
在步骤四中，机器人在室外行走过程中，微型主机的ROS操作系统将摄像头采集到的室外环境中的物体信息转换成三维点云数据，以得到摄像头相对于空间三维物体的距离，当摄像头相对于空间三维物体的距离在障碍物范围内时，通过微处理器改变底座上驱动电机的PWM以控制机器人减速行驶并转向绕开障碍物。
在步骤四中，机器人在室外行走过程中，碰撞检测单元检测摄像头扫描不到的低空障碍物，红外悬空检测单元检测路面是否有深坑，碰撞检测单元和红外悬空检测单元分别将检测数据通过微处理器发送给微型主机，微型主机内的ROS操作系统根据检测数据绕开障碍物。
本发明还提供了一种采用所述室内外无缝定位方法的定位系统，包括安装于机器人上的微型主机、摄像头和GPS单元，以及安装于机器人底座上的驱动电机、微处理器、红外悬空检测单元和碰撞检测单元，所述微型主机分别与所述摄像头、GPS单元和微处理器相连接，所述微处理器分别与所述驱动电机、红外悬空检测单元和碰撞检测单元相连接。
本发明的所述定位系统还包括区域基准站和服务器，所述区域基准站上设置有包括GPS接收器和微控制单元，所述GPS接收器与所述微控制单元相连接，所述微控制单无与所述服务器网络通讯，所述服务器与所述微型主机网络通讯。
本发明的机器人从室内行走到室外时，通过室内导航地图延伸到室外导航地图的范围内能确保机器人从室内导航模式切换到室外的GPS模式，以实现机器人从室内到室外导航模式的无缝切换。而当机器人从室外行走到定内时，通过入口处的ar_marker对机器人位置初始化，以重新定位机器人进入室内时的起始位置，保证了机器人不会从室外到室内丢失自己的位置，同时保障重新回到室内能准确的进行室内导航。
本发明在室外建立有区域基准站，通过区域基准站上的GPS接收器接收GPS数据，以通过微控制单元根据GPS数据和区域基准站的经纬度坐标偏差计算定位修正数，并将定位修正数发送给服务器，服务器将定位修正数同步发送给微型主机，微型主机根据GPS单元接收的GPS数据结合定位修正数，以定位机器人在室外的位置，从而大大提高了机器人在室外的定位精度，以实现更好的室外定位。
本发明通过摄像头结合红外悬空检测单元和碰撞检测单元实现了机器人室内行走和室外行走过程中，机器人有效壁障的功能，提高了机器人行走过程中的安全性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、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同物界定。
Claims (9)
1.一种机器人基于ROS和GPS的室内外无缝定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、微型主机内安装ROS操作系统，利用ROS操作系统配合点云算法把采集到的摄像头环境数据生成二维点云数据，并利用gmapping框架和粒子滤波算法进行局部优化建立室内导航地图和由室内向室外延伸一段距离的室外导航地图，由室内导航地图和室外导航地图组成二维导航地图，并将二维导航地图保存至微型主机内；
步骤二、由室外到室内的入口处张贴ar_marker，利用摄像头扫描ar_marker，以获取ar_marker的ID信息和相对于机器人的姿态信息，同时设定ar_marker在二维导航地图中的坐标，将ar_marker的数据存储在微型主机内；
步骤三、机器人在室内行走时通过室内导航地图获取机器人在室内的位置；
步骤四、机器人由室内行走到室外导航地图范围内时，通过室外导航地图获取机器人在此范围内的位置同时在室外导航地图范围内能保证室内导航模式切换到室外的GPS模式，使得机器人行走在室外导航地图范围外时，通过GPS获取机器人在室外的位置；
步骤五、机器人由室外行走到室内时，通过摄像头扫描入口处张贴的ar_marker，识别ar_marker并从微型主机内调取ar_marker的姿态信息和ar_marker在二维导航地图中的坐标；
步骤六、将ar_marker在二维导航地图中的坐标初始化为机器人的初始化坐标，并由室外的GPS模式切换到室内导航模式，使得机器人进入室内后通过室内导航地图获取机器人在室内的位置。
2.根据权利要求1所述的一种机器人基于ROS和GPS的室内外无缝定位方法，其特征在于，在步骤三中，机器人在室内行走过程中，微型主机的ROS操作系统将摄像头采集到的室内环境中的物体信息转换成三维点云数据，再转化成二维点云数据，以得到摄像头相对于物体的距离，当摄像头相对于物体的距离在障碍物范围内时，通过微处理器改变底座上驱动电机的PWM以控制机器人减速行驶并转向绕开障碍物。
3.根据权利要求2所述的一种机器人基于ROS和GPS的室内外无缝定位方法，其特征在于，在步骤三中，机器人在室内行走过程中，碰撞检测单元检测摄像头扫描不到的区域是否有低障碍物，红外悬空检测单元检测路面是否有深坑，碰撞检测单元和红外悬空检测单元分别将检测数据通过微处理器发送给微型主机，微型主机内的ROS操作系统根据检测数据绕开障碍物。
4.根据权利要求1所述的一种机器人基于ROS和GPS的室内外无缝定位方法，其特征在于，在步骤四中，机器人由室内行走到室外导航地图范围内时，微型主机发送请求与机器人上的GPS单元建立通讯，同时在室内导航地图延伸到室外导航地图的范围内能保证微型主机与GPS单元建立通讯，以将室内导航模式切换到室外的GPS模式，GPS单元获取定位数据，微型主机接收GPS单元发送的定位数据。
5.根据权利要求4所述的一种机器人基于ROS和GPS的室内外无缝定位方法，其特征在于，在室外建立区域基准站，区域基准站上的GPS接收器接收GPS数据，区域基准站上的微控制单元根据GPS数据和区域基准站的经纬度坐标偏差计算定位修正数，并将定位修正数发送给服务器，服务器将定位修正数同步发送给微型主机，微型主机根据GPS单元接收的GPS数据结合定位修正数，以定位机器人在室外的位置。
6.根据权利要求1所述的一种机器人基于ROS和GPS的室内外无缝定位方法，其特征在于，在步骤四中，机器人在室外行走过程中，微型主机的ROS操作系统将摄像头采集到的室外环境中的物体信息转换成三维点云数据，以得到摄像头相对于空间三维物体的距离，当摄像头相对于空间三维物体的距离在障碍物范围内时，通过微处理器改变底座上驱动电机的PWM以控制机器人减速行驶并转向绕开障碍物。
7.根据权利要求6所述的一种机器人基于ROS和GPS的室内外无缝定位方法，其特征在于，在步骤四中，机器人在室外行走过程中，碰撞检测单元检测摄像头扫描不到的低空障碍物，红外悬空检测单元检测路面是否有深坑，碰撞检测单元和红外悬空检测单元分别将检测数据通过微处理器发送给微型主机，微型主机内的ROS操作系统根据检测数据绕开障碍物。
8.一种采用权利要求1-7所述室内外无缝定位方法的定位系统，其特征在于，包括安装于机器人上的微型主机、摄像头和GPS单元，以及安装于机器人底座上的驱动电机、微处理器、红外悬空检测单元和碰撞检测单元，所述微型主机分别与所述摄像头、GPS单元和微处理器相连接，所述微处理器分别与所述驱动电机、红外悬空检测单元和碰撞检测单元相连接。
9.根据权利要求8所述室内外无缝定位方法的定位系统，其特征在于，所述定位系统还包括区域基准站和服务器，所述区域基准站上设置有包括GPS接收器和微控制单元，所述GPS接收器与所述微控制单元相连接，所述微控制单无与所述服务器网络通讯，所述服务器与所述微型主机网络通讯。
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