CN106527432B - 基于模糊算法和二维码自矫正的室内移动机器人协作系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模糊算法和二维码自矫正的室内多移动机器人协作系统，包括若干机器人本体及分布于室内不同位置的若干二维码，每个二维码内含QR编码，代表在室内二维坐标系中各二维码的位置坐标，在每台机器人本体上设有单片机、加速度计模块、陀螺仪模块、二维码识别模块、通讯模块以及超声波传感器；该系统定位成本低，可实现高效路径规划，使得多机器人协同作业、避免冲突，工作效率高。

Description

基于模糊算法和二维码自矫正的室内移动机器人协作系统

技术领域

本发明涉及一种多移动机器人协作系统，尤其涉及一种基于模糊算法和二维码自矫正的室内移动机器人协作系统，是基于模糊算法和超声波模块进行路径规划，通过二维码信息进行坐标获取和根据对二维码的图像处理结果进行运动位置矫正，根据陀螺仪模块和加速度计模块进行惯性运动矫正的多机器人协作系统。

背景技术

当下移动机器人的应用越来越广泛,几乎渗透到了所有领域，尤其是室内移动机器人，越来越能够取代人们完成一些室内的工作。其中，当面临复杂或者工作量庞大的工作任务时，多机器人协作系统则更有帮助，也因此受到越来越多的关注。

但同时，室内移动机器人的协作系统面临着定位成本高、路径规划难的问题，而当下控制方法中，模糊控制可以很方便的解决这一问题。所以本发明提出了一种可实现低成本定位且高效路径规划的室内移动机器人协作系统，该系统是基于模糊算法配合超声波传感器进行路径规划，通过二维码进行低成本坐标获取，且利用对二维码的图像处理结果进行运动位置矫正，根据陀螺仪模块和加速度计模块进行惯性运动矫正。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于模糊算法和二维码自矫正的室内多移动机器人协作系统，该系统定位成本低，可实现高效路径规划，使得多机器人协同作业、避免冲突，工作效率高。

本发明的基于模糊算法和二维码自矫正的室内多移动机器人协作系统，包括若干机器人本体及分布于室内的若干二维码，每个二维码内含QR编码，代表在室内二维坐标系中各二维码的位置坐标，在每台机器人本体上设有单片机、加速度计模块、陀螺仪模块、二维码识别模块、通讯模块以及超声波传感器。

在机器人运行平面内，定义垂直于其行进方向为横向，加速度计模块包括加速度计传感器，用于测量机器人的横向移动加速度并将测量数据传输至单片机。

陀螺仪模块包括陀螺仪传感器，用于检测机器人的横向角速度并将检测数据传输至单片机。其中陀螺仪测得移动机器人横向角速度，并积分得到机器人每时每刻的偏离直线的角度后，结合此时的横向移动加速度值，对电机进行控制达到运动路线矫正的目的。

二维码识别模块包括二维码识别装置、摄像头、串口装置，摄像头用于在二维码识别装置识别出二维码处拍照，并将照片通过串口装置传输至单片机。

通讯模块用于与其他机器人之间进行互相通讯，传递各自下一目的地信息。

超声波传感器共三个，分别设置于机器人正前侧、左侧及右侧，用于检测机器人附近障碍物距离，并传输至单片机。

在每个二维码上设置三个定位点，所有二维码定位点一致，当单片机获取二维码处照片后根据照片中定位点进行角度矫正。

单片机根据模糊算法进行路径规划并根据接收的横向移动加速度及横向角速度判断机器人的移动是否偏离直线惯性运动，若偏离，则通过偏离数值对机器人的惯性运动路线进行补偿矫正，使得机器人的行进路线为直线。

上述技术方案中，根据模糊算法进行路径规划的方法具体为：

1)构建模糊控制器：将以下因素作为模糊控制器的输入：超声波传感器得到的障碍物的距离位置信息、终点位置坐标、当前位置坐标、机器人优先级、是否有其他移动机器人下一个目的地坐标一致；以当前运动目标方向及左右轮加速度作为模糊控制器的输出；

2)确定输入输出的隶属度函数，采用三角形隶属度函数，或者梯形隶属度函数；

3)建立模糊规则。

建立用于路径规划的模糊规则如下：

1.当没有其他机器人下一个目的地坐标与自己一致的时候，且没有靠近的障碍物时，无论机器人优先级，都根据最终终点坐标和当前位置坐标得到此刻的运动目标方向。

2.当有靠近的障碍物时，规则是输出与输入的模糊的障碍物方位相反。

3.当没有障碍物，但是有机器人下一个目的地坐标与自己一致的时候，通过模糊控制选择一个机器人先走，另一个停止，选择规则是优先级大的先走，左、右轮加速度根据方向而定，另一个停止等候，左、右轮加速度均为零，直到没有机器人下一个目的地坐标与其一致。

本发明根据模糊算法配合超声波传感器和通讯模块进行路径规划和运动控制，通过二维码进行低成本的坐标获取，且利用对二维码的图像处理结果进行运动位置矫正，根据陀螺仪模块和加速度计模块进行惯性运动路线矫正，该系统实现了低成本定位且高效路径规划，使得多台机器人之间协同作业、避免冲突，提高工作效率。

附图说明

图1是本发明的坐标系构件示意图。

图2是定位点示意图。

图3是超声波传感器位置示意图。

图4是实例中路径规划的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施方式中，协作系统包括若干机器人本体及分布于室内的若干二维码，机器人本体上设有单片机、加速度计模块、陀螺仪模块、二维码识别模块、通讯模块以及超声波传感器。单片机使用STM32，加速度计和陀螺仪模块可以选用：GY-521 MPU6050模块，二维码识别模块为：Honeywell的N5680，其可以获取二维码，且拥有一个补光装置和摄像头拍照功能。

坐标的获取：

本系统通过在室内特定地点放置特定的二维码，并在室内建立二维坐标系，将室内的位置坐标利用QR编码表示，通过二维码识别模块获取各个位置的坐标实现机器人位置获取，如图1所示。

二维码识别模块设置在移动机器人底盘下面，补光装置，保证二维码的成功获取，防止光线暗而导致二维码获取不到。利用二维码周围的三个定位点作为之后图像处理所用的特征点(也就是二维码常用的定位点，如图2)。在获得位置信息时，摄像头进行拍照，并把照片传给单片机，通过图像处理的方法，矫正运动位置。比如，在移动机器人行进到二维码附近，在获取二维码信息后，停止行进并拍摄一张二维码的照片传给单片机，在单片机进行路径规划后，移动机器人完成左转、右转、直行这三个运动方向切换后，会结合单片机通过图像处理的方法进行运动位置矫正，以防止左转，右转方向有微小误差影响后面运动不到二维码上。如：对图像先进行灰度值的二值化处理，然后对图像各个方向进行积分，根据结果值大小的结果来判断定位点是否在应该在的地方(不同情况下，定位点应该在不同方向的各绝对坐标处)。当要直行时，在移动机器人拍摄的照片中，定位点就应该在左上角、右上角、左下角三个绝对位置处，如果不在，则通过计算结果进行微调移动机器人的位置。

微调后，则按照路径规划，沿着惯性直行，直到到达下一个二维码，再进行路径规划，并根据路径规划的结果判断左拐还是直行还是右拐。当左右转或者直行的情况下，移动机器人会选择向左、右转九十度或者直行后，通过图像处理的方法判断定位点是否在该运动方向的特定的位置，并进行判断和微调，最终实现移动机器人在各个二维码处运动位置精准，为下次运动做好准备。

路径规划：

机器人装备有三个超声波传感器如图3，分别为：左方传感器、正前方传感器、右方传感器。超声波传感器可以通过这三个超声波传感器算出各个障碍物离移动机器人的距离和方位，并将其传给单片机，单片机在面临障碍物距离小于一定值如0.5米的时候，判定障碍物方位是否在移动机器人轨道上，如果在轨道上，则返回并等待重新规划路径，以此达到避障的效果。

机器人的下一个目的地是根据最终目的地和此时所在的二维码位置按照靠近原则随机生成的，是路径规划的第一步，此后根据模糊算法进行运动控制和路径规划。各机器人先根据最终目的地坐标，比对自己此时所在的二维码坐标，然后以坐标靠近的原则，随机生成下一个目的地坐标(可随机将横坐标或者纵坐标靠近最终坐标，如最终目的地为(3，3)，此时坐标(1，1)，则可以随机生成(1，2)或者(2，1)，使得横坐标或者纵坐标其中之一靠近最终目的地。随机生成下一个机器人的目的地后，使用模糊算法，进行模糊算法进行路径规划和运动控制。

通讯模块是用于各机器人之间不断互相通讯，传递各自下一个目的地信息的。当两个移动机器人在通讯过程中，发现下一个目的地二维码坐标信息一致的时候，就需要更新路径规划，提高工作效率，防止工作运动冲突。

根据模糊算法进行路径规划的方法具体为：先确定输入量和输出量，模糊控制器的输入是：最近障碍物的距离位置信息、终点位置坐标、当前位置坐标、各机器人优先级、是否有其他移动机器人下一个目的地坐标一致。

其输出是：此刻的运动目标方向和左右轮加速度。

可以使用连续论域，采用简单的线性化处理方法将输入量和输出量按需求程度划分。

比如说，一般情况，我们可以将输入的：障碍物位置信息为{左、前、右}、终点和此时的坐标{包括全部坐标}、是否有机器人下一个目的地一致{是，否}，机器人优先级{S，M，B}。输出的运动位置方向的模糊量可划分为或者{左、前、右、后}，左右轮加速度可分为{S，M，B}即可。

然后再确定输入输出的隶属度函数，可以选择常用的三角形隶属度函数，或者梯形隶属度函数等等。

再建立模糊规则，建立用于路径规划的模糊规则基于如下标准：

1.当没有其他移动机器人下一个目的地坐标与自己一致的时候，且没有靠近的障碍物时，无论机器人优先级，都根据最终终点坐标和此时自己的位置坐标得到此刻的运动目标方向。比如说，终点坐标为(1，2)，此时坐标为(0，0)，如图4，此时得到的结果可以为向右到(1，0)，右轮加速度为‘B’，左轮为‘S’，或者向前到(0，1)，左右轮加速度都是‘B’，则诞生两条规则。

2.当有靠近的障碍物时，规则是输出与输入的模糊的障碍物方位相反，如障碍物在前，则输出向后，如果障碍物在左边，则输出向右，左轮加速度S，右轮加速度B，如果障碍物在右边，则输出向左，左轮加速度B，右轮加速度S。

3.当没有障碍物，但是有多个移动机器人下一个目的地坐标与其他移动机器人一致的时候，通过模糊控制选择一个机器人先走，另一个停止，选择规则是优先级大的先走，左、右轮加速度根据方向而定。另一个停止等候，左、右轮加速度均为零，直到没有了多个移动机器人下一个目的地坐标与其他移动机器人一致的情况。且最终可以采用重心法解模糊，效果比较好，且简单。

惯性运动路线的矫正：

本发明通过陀螺仪模块和加速度模块实现对惯性运动路线的矫正，加速度计传感器用于测量各机器人的横向移动加速度，陀螺仪传感器用于检测各机器人的横向角速度，对横向角速度进行积分得到偏离角度，结合加速度数值输入单片机，以此来判断各移动机器人的移动是否偏离直线惯性运动，单片机再利用这些数据对各移动机器人的惯性运动路线进行补偿矫正，最终实现移动机器人的行进路线为直线，并保持惯性行进。

Claims (3)

1.基于模糊算法和二维码自矫正的室内多移动机器人协作系统，其特征在于，包括若干机器人本体及分布于室内不同位置的若干二维码，每个二维码内含QR编码，代表在室内二维坐标系中各二维码的位置坐标，在每台机器人本体上设有单片机、加速度计模块、陀螺仪模块、二维码识别模块、通讯模块以及超声波传感器；

在机器人运行平面中，定义垂直于其行进方向为横向，所述的加速度计模块包括加速度计传感器，加速度计模块用于测量机器人的横向移动加速度并将测量数据传输至单片机；

陀螺仪模块包括陀螺仪传感器，用于检测机器人的横向角速度并将检测数据传输至单片机；

二维码识别模块包括二维码识别装置、摄像头、串口装置，摄像头用于在二维码识别装置识别出二维码处拍照，并将照片通过串口装置传输至单片机；

通讯模块用于与其他机器人之间进行互相通讯，传递各自机器人的下一目的地信息；

超声波传感器共三个，分别设置于机器人正前侧、左侧及右侧，用于检测机器人附近障碍物距离，并传输至单片机；

在每个二维码上设置三个定位点，所有二维码定位点一致，当单片机获取二维码处照片后根据照片中定位点进行角度矫正；

单片机根据模糊算法进行路径规划并根据接收的横向移动加速度及横向角速度算出的角度判断机器人的移动是否偏离直线惯性运动，若偏离，则利用偏离角度和加速度值对机器人的惯性运动路线进行补偿矫正，使得机器人的行进路线为直线；

所述的根据模糊算法进行路径规划的方法，具体为：

1）将以下因素作为模糊控制器的输入：超声波传感器得到的障碍物的距离位置信息、终点位置坐标、当前位置坐标、各机器人优先级、是否有其他移动机器人下一个目的地坐标一致；以当前运动目标方向及左右轮加速度作为模糊控制器的输出；

2）确定输入输出的隶属度函数，采用三角形隶属度函数，或者梯形隶属度函数；

3）建立模糊规则。

2.根据权利要求1所述的基于模糊算法和二维码自矫正的室内多移动机器人协作系统，其特征在于，进行路径规划时，建立模糊规则如下：

1）当没有机器人下一个目的地坐标与自己一致时，且没有靠近的障碍物时，无论机器人优先级，都根据最终终点坐标和当前位置坐标得到此刻的运动目标方向；

2）当有靠近的障碍物时，输出运动目标方向为与输入的模糊的障碍物方位相反的方向；

3）当没有障碍物，但是有机器人下一个目的地坐标与自己一致时，通过模糊控制选择一个机器人先走，另一个停止，选择规则是优先级大的先走，左、右轮加速度根据方向而定，另一个停止等候，左、右轮加速度均为零，直到没有机器人下一个目的地坐标与其一致。

3.根据权利要求1所述的基于模糊算法和二维码自矫正的室内多移动机器人协作系统，其特征在于，所述的三个定位点取二维码的左上顶角、右上顶角及左下顶角。