CN107065870A - 移动机器人自主导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动机器人自主导航系统及方法，该系统包括：红外传感器测距单元，用于实时测量一个或多个不同方向上的障碍物与所述移动机器人的距离；上位机，用于根据所述障碍物与所述移动机器人的距离对所述移动机器人进行路径规划，生成导航信息，将所述导航信息下发给主控器；所述主控制器，用于根据所述主控器下发的导航信息，控制所述电机工作，以使所述电机驱动所述移动机器人自主行走。利用本发明，可以在保证一定的导航精度的情况下，有效降低对机器人硬件设备及工作环境的要求，提高产品性价比。

Description

移动机器人自主导航系统及方法

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，具体涉及一种移动机器人自主导航系统及方法。

背景技术

移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、计算机技术、机械工程、电子工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。在自主式移动机器人相关技术的研究中，导航技术是其研究核心，同时也是移动机器人实现智能化及完全自主的关键技术。导航是指移动机器人通过传感器感知环境信息和自身状态，实现在有障碍的环境中面向目标的自主运动。导航主要解决以下三方面的问题：(1)通过移动机器人的传感器系统获取环境信息；(2)用一定的算法对所获信息进行处理并构建环境地图；(3)根据地图实现移动机器人的路径规划及运动控制。

移动机器人定位是指确定机器人在工作环境中相对于全局坐标的位置，是移动机器人导航的基本环节。当前移动机器人定位大多基于视觉传感器、激光雷达、超声波、UWB(Ultra Wideband，超宽带)、红外等传感器，且大多采用多传感器融合技术，先建立地图，然后基于地图进行行走与绕障的路径规划，从而实现自主导航与绕障功能。

现有机器人室内导航与定位通常依赖一些标记，如RFID(RadioFrequencyIdentification，射频识别)或者特定图标，这些对环境要求比较强，而且需要对现有环境进行改造，不太适合普通家庭场景；另外还有依赖视觉的机器人，这些机器人对硬件要求很高，需要实时运行复杂的视觉算法，嵌入式平台很难支撑，同时因为环境光线具有局限性，在效果和成本上优势不明显；还有基于激光雷达+UWB的机器人，这种机器人定位精度高，工作范围广，但是需要安装至少三个基站，依然需要对周围环境进行改造，而且激光雷达成本也很高，也不是很适合普通家庭场景。

发明内容

本发明提供一种移动机器人自主导航系统及方法，以降低对机器人硬件设备及工作环境的要求。

为此，本发明提供如下技术方案：

一种移动机器人自主导航系统，包括：红外传感器测距单元、与所述红外传感器测距单元信号相连的上位机、与所述上位机通信的主控制器、与所述主控制器信号相连的电机；

红外传感器测距单元，用于实时测量一个或多个不同方向上的障碍物与所述移动机器人的距离；

上位机，用于根据所述障碍物与所述移动机器人的距离对所述移动机器人进行路径规划，生成导航信息，将所述导航信息下发给主控器；

所述主控制器，用于根据所述主控器下发的导航信息，控制所述电机工作，以使所述电机驱动所述移动机器人自主行走。

优选地，所述红外传感器测距单元包括：安装在所述移动机器人前面左侧的第一红外传感器、安装在所述移动机器人前面右侧的第二红外传感器、以及安装在所述移动机器人后面的至少一个第三红外传感器；

所述第一红外传感器，用于测量所述移动机器人左前方障碍物的距离；

所述第二红外传感器，用于测量所述移动机器人右前方障碍物的距离；

所述第三红外传感器，用于测量所述移动机器人后方障碍物的距离。

优选地，所述第一红外传感器和所述第二红外传感器的探测方向与水平面成设定角度。

优选地，所述上位机，还用于根据所述红外传感器测距单元测量得到的距离判断在设定范围内是否有障碍物；如果是，则向所述主控制器发送停止行进指令，以使所述主控制器控制电机停止工作；并且在所述移动机器人停止行进后的设定时间内，根据所述红外传感器测距单元测量得到的距离判断所述障碍物是否已离开；如果是，则向所述主控制器发送继续行进指令，以使所述主控制器控制电机恢复工作；如果否，则进行绕障处理。

优选地，所述上位机采用基于状态机的递归算法进行绕障处理。

优选地，所述系统还包括：

警示单元，用于根据所述上位机的控制进行信息提示；

所述上位机，还用于根据所述红外传感器测距单元测量得到的距离判断在设定范围内有障碍物后，控制所述警示单元进行信息提示。

优选地，所述系统还包括：

惯性测量单元，用于实时获取所述移动机器人的运动状态及运动数据；

所述上位机，还用于根据所述移动机器人的运动状态及运动数据进行纠偏处理。

优选地，所述惯性测量单元包括以下任意一种或多种：加速度计，陀螺仪，磁力计。

一种移动机器人自主导航方法，包括：

实时测量一个或多个不同方向上的障碍物与所述移动机器人的距离；

根据所述障碍物与所述移动机器人的距离对所述移动机器人进行路径规划，生成导航信息；

根据所述导航信息，控制电机工作，以使所述电机驱动所述移动机器人自主行走。

优选地，所述实时测量一个或多个不同方向上的障碍物与所述移动机器人的距离包括：

利用安装在所述移动机器人前面左侧的第一红外传感器测量所述移动机器人左前方障碍物的距离；

利用安装在所述移动机器人前面右侧的第二红外传感器测量所述移动机器人右前方障碍物的距离；

利用安装在所述移动机器人后面的至少一个第三红外传感器测量所述移动机器人后方障碍物的距离。

优选地，所述方法还包括：

根据测量得到的距离判断在设定范围内是否有障碍物；

如果是，则控制所述移动机器人停止行进；

如果在所述移动机器人停止行进后的设定时间内，所述障碍物仍在设定范围内，则进行绕障处理。

优选地，所述方法还包括：

在控制所述移动机器人停止行进后，进行信息提示。

优选地，所述进行信息提示包括：

通过语音播放器播放提示语音；和/或

控制信号灯点亮或闪烁。

优选地，所述进行绕障处理包括：

采用基于状态机的递归算法进行绕障处理。

优选地，所述方法还包括：

实时获取所述移动机器人的运动状态及运动数据；

根据所述移动机器人的运动状态及运动数据进行纠偏处理。

优选地，所述运动状态包括：直线运动、转弯运动；

在所述移动机器人进行直线运动过程中，进行纠偏处理包括：

在检测到所述移动机器人偏离直线后，继续检测偏离角度；

如果偏离角度小于设定的角度阈值，则计算得到纠偏量，并根据所述纠偏量及移动机器人运动正反解对所述移动机器人的行走机构进行PID闭环控制；

如果偏离角度大于或等于所述设定的角度阈值，则暂停当前运动，并根据偏离角度及偏离方向控制所述移动机器人原地转弯，以使所述移动机器人转弯回到原来的方向；在转弯完成后，控制所述移动机器人继续当前运动；

在所述移动机器人进行转弯运动过程中，进行纠偏处理包括：

获取所述移动机器人实际转弯角度，并计算所述实际转弯角度与理论转弯角度的差值，并将该差值作为偏离角度；

如果所述偏离角度小于设定值，则根据所述偏离角度及移动机器人运动正反解对所述移动机器人的行走机构进行PID闭环控制；

如果所述偏离角度大于或等于所述设定值，则控制所述移动机器人停止运动，并在等待设定时间后从当前姿态继续开始运动；

如果持续因所述偏离角度大于或等于所述设定值而停止运动的次数达到设定次数，则放弃转弯任务，重新规划路径。

本发明实施例提供的移动机器人自主导航系统及方法，利用低成本的红外测距传感器，实时测量一个或多个不同方向上的障碍物与所述移动机器人的距离，基于测量得到的数据对所述移动机器人进行路径规划，生成导航信息，根据导航信息，控制电机工作，以使所述电机驱动移动机器人自主行走。本发明实施例的移动机器人自主导航系统及方法，可以大大降低对机器人硬件设备及工作环境的要求，尤其适用于普通家庭场景、以及对机器人自主导航精度要求较低的场景。

进一步地，本发明移动机器人自主导航系统及方法，在移动机器人前方有障碍物时，还可以实现移动机器人自主绕障。

进一步地，还用于根据移动机器人的行进状态及行进数据进行纠偏处理，从而有效提高控制精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例移动机器人自主导航系统的一种结构示意图；

图2是本发明实施例中安装在机器人前面的两个红外测距传感器的示意图；

图3是本发明系统实施例中红外传感器安装角度与障碍物探测距离示意图；

图4是本发明实施例中基于状态机的一级绕障状态转移图；

图5是本发明实施例中基于状态机的二级绕障状态转移图；

图6是本发明实施例移动机器人自主导航系统的另一种结构示意图；

图7是本发明实施例移动机器人自主导航方法的流程图；

图8是本发明方法实施例中绕障检测及处理的流程图；

图9是本发明方法实施例中机器人直线运动过程中的纠偏处理流程图；

图10是本发明方法实施例中机器人转弯运动过程中的纠偏处理流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

如图1所示，是本发明实施例移动机器人自主导航系统的一种结构示意图。

在该实施例中，所述系统包括：红外传感器测距单元、与所述红外传感器测距单元信号相连的上位机、与所述上位机通信的主控制器、与所述主控制器信号相连的电机。其中：

红外传感器测距单元，用于实时测量一个或多个不同方向上的障碍物与所述移动机器人的距离；

上位机，用于根据所述障碍物与所述移动机器人的距离对所述移动机器人进行路径规划，生成导航信息，将所述导航信息下发给主控器；

主控制器，用于根据所述主控器下发的导航信息，控制所述电机工作，以使所述电机驱动所述移动机器人自主行走。所述导航信息可以包括行进序列信息(比如前进、左转、右转等)和行进参数(比如，启停、使能、睡眠等)。

需要说明的是，在实际应用中，上述红外传感器测距单元可以由一个或多个红外测距传感器组成。比如，只需机器人单一方向行走的应用环境中，可以在机器人的前面中间位置安装一个红外测距传感器，或者前、后各安装一个红外测距传感器；在需要机器人能够多方行走的应用环境中，可以在机器人的前面左、右两侧各安装一个红外测距传感器，或者前面安装两个、后面安装一个或多个红外测距传感器。

如图2所示，是本发明实施例中安装在机器人前面的两个红外测距传感器的示意图。其中，第一红外传感器21安装在移动机器人前面左侧，用于测量所述移动机器人左前方障碍物的距离；第二红外传感器22安装在移动机器人前面右侧，用于测量所述移动机器人右前方障碍物的距离。这样便于识别左右障碍，也减少识别盲区。当然，根据应用需要，还可以在所述移动机器人后面安装一个或多个第三红外传感器(未图示)。因为机器人很少直接倒车，因此在机器人后面只安装1个红外传感器，既可节省成本，也不会影响运动控制效果。另外，考虑到成本问题，可以采用测距为20cm左右的红外测距传感器。

当然，在实际应用中，红外测距传感器的具体数量及安装位置可根据应用需求来确定，对此本发明实施例不做限定。

红外测距传感器是利用红外信号遇到障碍物距离的不同，反射强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号。当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化。它的原理是接收管接收的光强随反射物体的距离而变化的，距离近则反射光强，距离远则反射光弱。

进一步，为了使红外测距传感器能够认别悬崖，如图3所示，在本发明实施例的系统中，还可以将将红外测距传感器以一定高度h(如30mm)、一定水平向下倾斜角度α(如10度)安装。在这种安装方式下，无障碍物时，能检测最大距离是d＝h/tanα，当然斜边长h/sinα必须小于传感器最大测量范围。如果前面有悬崖，那么反射回来的光量将出现突变，红外测距传感器返回的测量数据将发生突变，即由大(如1000)突然变小(如500)，此时即可判断前面有悬崖。

在本发明系统中，可以采用测量数据的绝对值来判断障碍物及悬崖的距离。考虑到多种颜色地面对红外反射情况不一，如白色墙壁，红外传感器可以识别18cm远处的障碍物，黄色墙壁可以识别15cm远处的障碍物，黑色墙壁可以识别10cm处的墙壁，因此，在本发明系统中，可以采用木桶原则，设计识别距离为其中的最短距离，如上述针对不同颜色地面，设计识别距离为10cm，这样基本可以适配常见家庭应用场景。

另外，由于所述红外测距传感器可以探测前方一个圆锥面内的障碍物，锥顶即为该红外测距传感器当前位置，因此，对于直线运动与转弯运动，可以设置不同的检测门限，如直线运动需要识别10cm远处的障碍物，而转弯运动只需要保证转弯过程中机器人身体不触碰障碍物即可，因此可以降低要求，只需要识别3cm远处的障碍物即可，这样即可避免机器人转弯过程中，附近3cm-10cm之间障碍物的干扰。需要说明的是，在本发明实施例中，所述转弯是指机器人原地转弯。

在导航过程中，为了避免人正常行走对机器人运动造成干扰，在本发明系统另一实施例中，所述上位机还提供动态障碍物检测功能。具体地，在机器人行进过程中，如果红外传感器测量得到的距离落在障碍物检测门限范围内时，上位机向主控制器发送停止行进指令；相应地，主控制器收到该指令后，控制电机停止工作，从而使机器人立刻停止行进。如果在机器人停止行进后的一段时间内，障碍物离开，也就是说，红外传感器测量得到的距离不在障碍物检测门限范围内时，上位机向主控制器发送继续行进指令；相应地，主控制器收到该指令后，控制电机恢复工作，从而使机器人继续按照规划的路径行进。如果在机器人停止行进后的一段时间内，障碍物没有离开，也就是说，红外传感器测量得到的距离仍在障碍物检测门限范围内时，此时可以继续等待障碍物离开，也可以由上位机启动绕障处理。

进一步地，在本发明实施例的系统中，还可包括警示单元(未图示)，用于根据所述上位机的控制进行信息提示。具体地，所述上位机根据所述红外传感器测距单元测量得到的距离判断在设定范围内有障碍物后，控制所述警示单元进行信息提示。所述警示单元可以是：语音播放器，和/或信号灯等，也就是说，可以通过单一方式(比如语音、点亮信号灯等)进行信息提示，也可以同时采用多种方式进行信息提示，对此本发明实施例不做限定。通过警示单元的提示，可以使人工对所述移动机器人的行走进行干预。当然，也可以不用设置上述警示单元，而是由上位机进行绕障处理，从而使机器人绕过前面的障碍物，并最终回到既定路径上继续行进。

在现有技术中，机器人行进中如果遇到障碍物，大多数无图绕障方案都是控制机器人一直朝一个方向转，或者向无障碍物的方向转，这样的方案在机器人同时遇到多个障碍物时，则可能出现在一个区域绕圈的情况。

针对上述问题，本发明系统中，所述上位机采用基于状态机的递归算法进行绕障处理，如遇到障碍物后，根据当前状态机情况，如果左右方向都没有尝试，则先往远离障碍物的一边转弯，绕过障碍物后，再回到原来规划的路径上；如果无法越过障碍物，则原路退回，选择规划的另一条路径继续行进。通过这种方式的绕障处理，在无法通过转弯的方式绕过障碍物的情况下，也能够选择其它可能的路径，从而可以最大程度地避免障碍物对机器人行进行影响，有效地提高机器人的绕障能力。图4和图5分别示出了本发明实施例中基于状态机的一级绕障状态转移图及二级绕障状态转移图，其中，d左表示左前方距离障碍物的距离，d右表示右前方距离障碍物的距离。

如图6所示，是本发明实施例移动机器人自主导航系统的另一种结构示意图。

与图1所示实施例不同的是，在该实施例中，所述系统还包括：惯性测量单元，用于实时获取所述移动机器人的行进状态及行进数据。所述惯性测量单元包括：加速度计、陀螺仪，还可进一步包括磁力计等。其中，加速度计能感知x，y，z方向加速度，通过对加速度积分得到速度，对速度积分得到距离；陀螺仪能感知绕x，y，z轴转动的角速度，通过对角速度积分，可以得到绕x，y，z轴转动的角度；由于陀螺仪容易漂移，可以与磁力计数据进行融合，从而获得比较可靠的结果。

直线运动时，通过融合陀螺仪及磁力计的数据，可以实时计算出机器人是否偏离航线，偏离多少度，进而通过纠偏算法及时纠正。通过加速度数据，可以计算行进距离，然后与理论行进距离进行比较，进而计算出纠偏量，避免机器人由于打滑等因素造成走的距离不准确问题。

原地转弯时，通过融合陀螺仪及磁力计的数据，可以实时计算出机器人实际转弯的角度，然后与理论行进转弯角度进行比较，进而计算出纠偏量。

相应地，在该实施例中，所述上位机还用于根据所述移动机器人的行进状态及行进数据进行纠偏处理，另外，由于上位机与下位机即前面所述的主控制器通信存在一定延时，因此在纠偏过程中，还引入了PID(比例-积分-微分)控制调节方法，运用D的预测性解决延时问题。具体纠偏处理的过程将在后面本发明移动机器人自主导航方法实施例中详细说明。

在本发明系统中，所述上位机可以基于机器人运动学，建立机器人全局坐标系(一般以充电桩为全局坐标零点，前面朝向x轴正方向，按照右手系确定y轴，机器人前进方向与x轴正方向夹角定为θ)与局部坐标系(以机器人当前位置为零点，前正后负，左正右负)进行纠偏、导航、绕障的路径规划，同时也可以通过绕障过程中，机器人在每个方向行进的距离(如往前走10cm障碍消失，往右转弯90度，再往前走20cm，右侧障碍物消失，那么粗略估计障碍物似乎10*20cm大小)，大致估算出障碍物的长宽大小情况，进行路径规划，做到不建图的导航和绕障。

另外，为了避免机器人长期运动累计误差影响定位导航，在本发明系统另一实施例中，所述系统还可以包括：自校准单元(未图示)，用于在所述移动机器人回到充电桩位置，即充电时，重置全局坐标系并复位零点位置，以消除累积误差的影响。

本发明实施例提供的移动机器人自主导航系统，利用低成本的红外测距传感器，实时测量一个或多个不同方向上的障碍物与所述移动机器人的距离，根据所述障碍物与所述移动机器人的距离对所述移动机器人进行路径规划，生成导航信息，根据导航信息，控制电机工作，以使所述电机驱动移动机器人自主行走。本发明实施例的移动机器人自主导航系统及方法，可以大大降低对机器人硬件设备及工作环境的要求，尤其适用于普通家庭场景、以及对机器人自主导航精度要求较低的场景。

进一步地，本发明移动机器人自主导航系统，在移动机器人前方有障碍物时，还可以实现移动机器人自主绕障，提高机器人的行走能力。而且，还可以根据移动机器人的行进状态及行进数据进行纠偏处理，从而有效提高控制精度。

相应地，本发明实施例还提供一种移动机器人自主导航方法，如图7所示，是本发明实施例移动机器人自主导航方法的一种流程图，包括以下步骤：

步骤701，实时测量一个或多个不同方向上的障碍物与所述移动机器人的距离。

比如，利用安装在所述移动机器人前面左侧的第一红外传感器测量所述移动机器人左前方障碍物的距离；利用安装在所述移动机器人前面右侧的第二红外传感器测量所述移动机器人右前方障碍物的距离；利用安装在所述移动机器人后面的至少一个第三红外传感器测量所述移动机器人后方障碍物的距离。当然，在实际应用中，可以根据机器人的行走需求及应用环境来确定红外传感器的数量及安装位置，对此本发明实施例不做限定。另外，为了能够探测到悬崖，还可以按照预设角度安装所述红外传感器，即红外传感器的探测方向与水平面成设定角度，具体的安装角度可以根据探测距离来确定。

步骤702，根据所述障碍物与所述移动机器人的距离对所述移动机器人进行路径规划，生成导航信息。

具体地，需要根据测量得到的数据确定机器人的行走路径、运动轨迹，另外，还需要一些插补处理，以得到平滑的运动轨迹曲线，具体的路径规划方式可采用现有技术，根据机器人的运动需求来确定，对此本发明实施例不做限定。

步骤703，根据所述导航信息，控制电机工作，以使所述电机驱动所述移动机器人自主行走。

在机器人行走过程中，为了避免人正常行走对机器人运动造成干扰，在本发明方法另一实施例中，还提供机器人行走绕障处理方案。如图8所示，是本发明方法实施例中绕障检测及处理的流程图，包括以下步骤：

步骤801，获取测量得到的障碍物与所述移动机器人的距离。

步骤802，判断所述距离是否在设定范围内，也就是说，判断在设定范围内是否有障碍物；如果是，则执行步骤803；否则，执行步骤806。

步骤803，控制移动机器人停止行进，并开始计时。

步骤804，判断在计时时限内，所述障碍物是否离开；如果是，则执行步骤806；否则，执行步骤805；

步骤805；进行绕障处理。

为了避免在机器人同时遇到多个障碍物时出现在一个区域绕圈的情况，在本发明实施例中，可以采用基于状态机的递归算法进行绕障处理，具体处理过程前面已有详细说明，在此不再赘述。

步骤806，控制移动机器人按规划的路径继续行进。

需要说明的是，在控制所述移动机器人停止行进后，还可以进行信息提示。比如，通过语音播放器播放提示语音；和/或控制信号灯点亮或闪烁。

进一步地，为了避免机器人行走过程中因轮子打滑等情况引入航迹误差，在本发明方法另一实施例中，还提供纠偏处理方案。具体地，可以实时获取所述移动机器人的运动状态(是直线运动还是转弯运动)及运动数据；并根据所述移动机器人的运动状态及运动数据进行纠偏处理。基于移动机器人当前运动状态的不同，纠偏处理的具体方式也不同，下面分别进行详细说明。

如图9所示，是本发明方法实施例中机器人直线运动过程中的纠偏处理流程图，包括以下步骤：

步骤901，检测到移动机器人偏离直线；

比如，通过融合陀螺仪及磁力计数据，可以确定移动机器人是否偏离直线；

步骤902，检测偏离角度是否小于设定的角度阈值(比如8度)；如果是，则执行步骤903；否则，执行步骤904；

具体地，可以通过融合陀螺仪及磁力计数据，计算偏离角度，具体计算方式可以采用现有技术，对此本发明实施例不做限定；

步骤903，计算得到纠偏量，并根据所述纠偏量及移动机器人运动正反解对所述移动机器人的行走(比如轮子或者履带)机构进行PID闭环控制；

步骤904，暂停当前运动，并根据偏离角度及偏离方向控制所述移动机器人原地转弯；比如，向左偏了30度，则应在原地向右转30度，从而转弯回到原来的方向；

步骤905，在原地转弯完成后，控制所述移动机器人继续当前运动。

如图10所示，是本发明方法实施例中机器人转弯运动过程中的纠偏处理流程图，包括以下步骤：

步骤101，获取移动机器人实际转弯角度，并计算所述实际转弯角度与理论转弯角度的差值，将该差值作为偏离角度；

比如，通过融合实时采集的陀螺仪及磁力计数据，可以计算得到所述移动机器人实际转弯角度；

步骤102，判断所述偏离角度是否小于设定值(如15度)；如果是，则执行步骤103；否则，执行步骤104；

步骤103，根据所述偏离角度及移动机器人运动正反解对所述移动机器人的行走机构进行PID闭环控制；比如，将偏离角度调整量转换为机器人轮子或者履带等执行器的输入量；

步骤104，控制所述移动机器人停止运动，并在等待设定时间后从当前姿态继续开始运动。

需要说明的是，重新运动，可能会有以下两种情况：(1)如果是动态障碍物，障碍物离去，则重新开始运动是可以到达目标；(2)如果是静态障碍物或者外界故意一直干扰，那么就继续停止，以避免障碍卡死机器人，机器人一直运动，会烧坏机器人运动部件；因此，在这种情况下，如果尝试次数超过设定次数(比如3次)，则放弃转弯任务，重新进行路径规划，比如迂回绕开后再回到期望的路径上。

需要说明的是，考虑到转弯偏离角度太大(如超过15度)的情况，多是由于机器人被障碍物卡住或者人为挡住，因此，在上述步骤104中，还可以通过声音或者其他方式对障碍物进行提示。

本发明实施例提供的移动机器人自主导航方法，利用低成本的红外测距传感器，实时测量一个或多个不同方向上的障碍物与所述移动机器人的距离，根据所述障碍物与所述移动机器人的距离对所述移动机器人进行路径规划，生成导航信息，根据导航信息，控制电机工作，以使所述电机驱动移动机器人自主行走。本发明实施例的移动机器人自主导航系统及方法，可以大大降低对机器人硬件设备及工作环境的要求，尤其适用于普通家庭场景、以及对机器人自主导航精度要求较低的场景。进一步地，还可以实现移动机器人自主绕障及纠偏处理，从而有效提高机器人的性能。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及系统；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (16)

1.一种移动机器人自主导航系统，其特征在于，包括：红外传感器测距单元、与所述红外传感器测距单元信号相连的上位机、与所述上位机通信的主控制器、与所述主控制器信号相连的电机；

红外传感器测距单元，用于实时测量一个或多个不同方向上的障碍物与所述移动机器人的距离；

上位机，用于根据所述障碍物与所述移动机器人的距离对所述移动机器人进行路径规划，生成导航信息，将所述导航信息下发给主控器；

所述主控制器，用于根据所述主控器下发的导航信息，控制所述电机工作，以使所述电机驱动所述移动机器人自主行走。

2.根据权利要1所述的系统，其特征在于，所述红外传感器测距单元包括：安装在所述移动机器人前面左侧的第一红外传感器、安装在所述移动机器人前面右侧的第二红外传感器、以及安装在所述移动机器人后面的至少一个第三红外传感器；

所述第一红外传感器，用于测量所述移动机器人左前方障碍物的距离；

所述第二红外传感器，用于测量所述移动机器人右前方障碍物的距离；

所述第三红外传感器，用于测量所述移动机器人后方障碍物的距离。

3.根据权利要2所述的系统，其特征在于，所述第一红外传感器和所述第二红外传感器的探测方向与水平面成设定角度。

4.根据权利要1所述的系统，其特征在于，

所述上位机，还用于根据所述红外传感器测距单元测量得到的距离判断在设定范围内是否有障碍物；如果是，则向所述主控制器发送停止行进指令，以使所述主控制器控制电机停止工作；并且在所述移动机器人停止行进后的设定时间内，根据所述红外传感器测距单元测量得到的距离判断所述障碍物是否已离开；如果是，则向所述主控制器发送继续行进指令，以使所述主控制器控制电机恢复工作；如果否，则进行绕障处理。

5.根据权利要4所述的系统，其特征在于，所述上位机采用基于状态机的递归算法进行绕障处理。

6.根据权利要4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

警示单元，用于根据所述上位机的控制进行信息提示；

所述上位机，还用于根据所述红外传感器测距单元测量得到的距离判断在设定范围内有障碍物后，控制所述警示单元进行信息提示。

7.根据权利要1至6任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

惯性测量单元，用于实时获取所述移动机器人的运动状态及运动数据；

所述上位机，还用于根据所述移动机器人的运动状态及运动数据进行纠偏处理。

8.根据权利要7所述的系统，其特征在于，所述惯性测量单元包括以下任意一种或多种：加速度计，陀螺仪，磁力计。

9.一种移动机器人自主导航方法，其特征在于，包括：

实时测量一个或多个不同方向上的障碍物与所述移动机器人的距离；

根据所述障碍物与所述移动机器人的距离对所述移动机器人进行路径规划，生成导航信息；

根据所述导航信息，控制电机工作，以使所述电机驱动所述移动机器人自主行走。

10.根据权利要9所述的方法，其特征在于，所述实时测量一个或多个不同方向上的障碍物与所述移动机器人的距离包括：

利用安装在所述移动机器人前面左侧的第一红外传感器测量所述移动机器人左前方障碍物的距离；

利用安装在所述移动机器人前面右侧的第二红外传感器测量所述移动机器人右前方障碍物的距离；

利用安装在所述移动机器人后面的至少一个第三红外传感器测量所述移动机器人后方障碍物的距离。

11.根据权利要9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据测量得到的距离判断在设定范围内是否有障碍物；

如果是，则控制所述移动机器人停止行进；

如果在所述移动机器人停止行进后的设定时间内，所述障碍物仍在设定范围内，则进行绕障处理。

12.根据权利要11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在控制所述移动机器人停止行进后，进行信息提示。

13.根据权利要12所述的方法，其特征在于，所述进行信息提示包括：

通过语音播放器播放提示语音；和/或

控制信号灯点亮或闪烁。

14.根据权利要11所述的方法，其特征在于，所述进行绕障处理包括：

采用基于状态机的递归算法进行绕障处理。

15.根据权利要9至14任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

实时获取所述移动机器人的运动状态及运动数据；

根据所述移动机器人的运动状态及运动数据进行纠偏处理。

16.根据权利要15所述的方法，其特征在于，所述运动状态包括：直线运动、转弯运动；

在所述移动机器人进行直线运动过程中，进行纠偏处理包括：

在检测到所述移动机器人偏离直线后，继续检测偏离角度；

如果偏离角度小于设定的角度阈值，则计算得到纠偏量，并根据所述纠偏量及移动机器人运动正反解对所述移动机器人的行走机构进行PID闭环控制；

如果偏离角度大于或等于所述设定的角度阈值，则暂停当前运动，并根据偏离角度及偏离方向控制所述移动机器人原地转弯，以使所述移动机器人转弯回到原来的方向；在转弯完成后，控制所述移动机器人继续当前运动；

在所述移动机器人进行转弯运动过程中，进行纠偏处理包括：

获取所述移动机器人实际转弯角度，并计算所述实际转弯角度与理论转弯角度的差值，并将该差值作为偏离角度；

如果所述偏离角度小于设定值，则根据所述偏离角度及移动机器人运动正反解对所述移动机器人的行走机构进行PID闭环控制；

如果所述偏离角度大于或等于所述设定值，则控制所述移动机器人停止运动，并在等待设定时间后从当前姿态继续开始运动；

如果持续因所述偏离角度大于或等于所述设定值而停止运动的次数达到设定次数，则放弃转弯任务，重新规划路径。