CN107097228A - 自主行进机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自主行进机器人系统，包括上位机、安装有GPS模块的移动机器人和用于在所述上位机与所述移动机器人之间传递信息的通讯外设；所述上位机用于接收自主巡逻路线，根据所述自主巡逻路线生成包含经纬度信息的离散路径序列，并将所述离散路径序列发送给所述移动机器人；所述移动机器人根据GPS模块采集到的自身位置作为当前位置，将所述离散路径序列作为目标位置进行逐个点到点行进。较低成本实现，更包含机械臂操控实现抓取动作，将面向民用智能巡逻监控市场。该机器人基于履带车的设计可克服诸如阶梯、斜坡等较复杂地形，能有效应对工厂、学校、小区、公园等特殊场所的室外行进任务。

Description

自主行进机器人系统

技术领域

本发明机器人导航行进领域，具体而言，涉及一种自主行进机器人系统。

背景技术

大型建筑物、建筑群室外巡逻任务繁重，随着时代发展此项人力成本也将日益增高。现有人防技防措施有如下问题：人力巡逻无法全天候长时段执行、人力成本高。现有摄像头监控技防往往监控视角、监控死角固定。现有自主监控技术如下：2016年9月国防科技大学利用AnBot智能安保机器人用于深圳机场自主巡逻；2017年2月郑州高铁站使用警察机器人于候车大厅巡逻。已有在用市场前列产品是面向特殊室内作业环境的自主巡逻机器人初步实现。目前此类产品种类数量少及所用技术不成型不成熟是其特点，以上产品包含多项新兴技术，价格高昂。

发明内容

本发明针对现有的自主行进机器人、自主监控机器人，运行路径复杂、算法复杂，成本高的问题提出了，一种利用较低成本、结合实际场景的自主行进机器人系统，包括上位机、安装有GPS模块的移动机器人和用于在所述上位机与所述移动机器人之间传递信息的通讯外设；所述上位机用于接收自主巡逻路线，根据所述自主巡逻路线生成包含经纬度信息的离散路径序列，并将所述离散路径序列发送给所述移动机器人；

所述移动机器人根据GPS模块采集到的自身位置作为当前位置，将所述离散路径序列作为目标位置进行逐个点到点行进。

进一步地，所述移动机器人进行点到点行进的过程如下：

当所述移动机器人获取目标位置经纬度之后，利用所述移动机器人上搭载的激光测距模块判断前方是否有障碍物的存在，如果有，则进行壁障处理，直到检测到前方没有障碍物的出现；利用GPS模块获取所述移动机器人当前所在经纬度，并求出与目标点之间的距离与方向角；所述移动机器人根据所述与目标点之间的距离和方向角进行运动；当运动到判断与目标点之间的距离小于阈值时则停止前进。

进一步地，所述上位机根据所述自主巡逻路线生成包含经纬度信息的离散路径序列的步骤包括：按照所述GPS模块的定位精度划分成多个离散的经纬度坐标，将所述多个离散的经纬度坐标作为所述离散路径序列。

进一步地，所述上位机根据所述自主巡逻路线生成包含经纬度信息的离散路径序列的步骤包括：按照所述GPS模块的定位精度划分成多个离散的经纬度坐标，获取所述移动机器人当前位置、可到达位置，根据可到达位置和多个离散的经纬度坐标进行最大化近似处理，从所述可到达位置中选取位置作为所述离散路径序列。

进一步地，所述上位机中显示有电子地图，所述移动机器人还用于回传当前经纬度信息给所述上位机，所述上位机根据所述经纬度信息切换所述电子地图的中心或者电子地图上与所述经纬度信息对应的位置显示标记。

进一步地，所述移动机器人上还设置有机械手臂，所述移动机器人接收上位机指令控制所述机械手臂工作。

进一步地，所述移动机器人上还设置有摄像头，所述移动机器人将摄像头拍摄的图像回传给所述上位机。

进一步地，所述移动机器人将电机转速信息、当前经纬度信息、目标经纬度信息、当前指向角度、目标距离及方向角中的一个或多个信息传给所述上位机进行显示。

进一步地，所述移动机器人为履带机器人，机器人本体左右两侧各安装有多个震轮组。

进一步地，所述移动机器人获取与目标点之间的距离与方向角的步骤包括，将当前点和目标点的经纬度和海拔高度转换为三维直角坐标下的三维位置，利用两点之间距离公式获取与目标点之间的距离，通过Angle＝arctan((Bw-Aw)*cos(Bj)/(Bj-Aj))*180/pi获取方向角Angle，其中Bw、Bj为目标点经纬度，Aw、Aj为当前点的经纬度。

本发明是对室外自主巡逻监控机器人的较低成本实现，更包含机械臂操控实现抓取动作，将面向民用智能巡逻监控市场。该机器人基于履带车的设计可克服诸如阶梯、斜坡等较复杂地形，能有效应对工厂、学校、小区、公园等特殊场所的室外行进任务。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例中自主行进机器人系统的系统结构示意图；

图2为本发明实施例中自主行进机器人系统的机器人的实物示意图；

图3为本发明实施例中自主行进机器人系统中机器人与与上位机通信流程示意图；

图4为本发明实施例中自主行进机器人系统中机器人结构组成示意图；

图5为本发明实施例中自主行进机器人系统中机器人中的电机驱动模块示意图；

图6为本发明实施例中自主行进机器人系统中机器人软件平台设计示意图；

图7为本发明实施例中自主行进机器人系统中机器人点到点自主行进流程示意图；

图8为本发明实施例中自主行进机器人系统中机器人自主行进流程示意图；

图9为本发明实施例中自主行进机器人系统中上位机数据处理流程示意图；

图10为本发明实施例中自主行进机器人系统中上位机实现内容示意图；

图11为本发明实施例中自主行进机器人系统中上位机界面示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明的自主行进机器人包括移动机器人、上位机软件及其通讯外设三个部分构成。为了适应不同的地面环境，所述移动机器人可为履带式机器人(也可叫做履带车)。所述履带车包含必要传感设备及行进控制部件，能独立完成自主巡逻任务，采集外界信息传至上位机程序处理分析，并接受来自后者的控制指令。上位机软件及其通讯外设实现与履带车机器人的通信，完成远端PC控制机器人及处理移动平台传来的数据等工作。

在本系统使用中，用户需通过上位机内加载的卫星地图指定履带车机器人需要进行自主巡逻任务的路线，程序将结合联网获得的经纬度生成对应的离散路径图，通过外接的通讯外设传至履带车机器人。履带车开始工作后，将自动地结合GPS模块采集到的自身位置及已加载的离散路径图，选择最优行进方案进行目标路径图的不间断巡逻。此过程中，履带车上的传感设备采集到的数据可选择地将上传至PC端，包括摄像头图像、火焰传感器数据、话筒信息等等，从而实现履带式机器人替代人类执行高强度安保消防巡逻任务的目标。除此之外，用户还可通过PC端远程控制履带车所配备的机械手臂执行一定的操作任务，如投掷灭火弹、安放对讲机等。本多功能消防辅助系统由履带车机器人、上位机软件及其通讯外设三个部分构成。履带车包含必要传感设备及行进控制部件，能独立完成自主巡逻任务，采集外界信息传至上位机程序处理分析，并接受来自后者的控制指令。上位机软件及其通讯外设实现与履带车机器人的通信，完成远端PC控制机器人及处理移动平台传来的数据等工作。

在本系统使用中，用户需通过上位机内加载的卫星地图指定履带车机器人需要进行自主巡逻任务的路线，程序将结合联网获得的经纬度生成对应的离散路径图，通过外接的通讯外设传至履带车机器人。履带车开始工作后，将自动地结合GPS模块采集到的自身位置及已加载的离散路径图，选择最优行进方案进行目标路径图的不间断巡逻。此过程中，履带车上的传感设备采集到的数据可选择地将上传至PC端，包括摄像头图像、火焰传感器数据、话筒信息等等，从而实现履带式机器人替代人类执行高强度安保消防巡逻任务的目标。除此之外，用户还可通过PC端远程控制履带车所配备的机械手臂执行一定的操作任务，如投掷灭火弹、安放对讲机等。

实施例一

如图1、图2所示，本发明提供了一种自主行进机器人系统100，包括上位机110、安装有GPS模块的移动机器人120和用于在所述上位机110与所述移动机器人120之间传递信息的通讯外设130；所述上位机110用于接收自主巡逻路线，根据所述自主巡逻路线生成包含经纬度信息的离散路径序列，并将所述离散路径序列发送给所述移动机器人120；

所述移动机器人120根据GPS模块121采集到的自身位置作为当前位置，将所述离散路径序列作为目标位置进行逐个点到点行进。

所述移动机器人120进行点到点行进的过程如下：

当所述移动机器人120获取目标位置经纬度之后，利用所述移动机器人120上搭载的激光测距模块122判断前方是否有障碍物的存在，如果有，则进行壁障处理，直到检测到前方没有障碍物的出现；利用GPS模块121获取所述移动机器人当前所在经纬度，并求出与目标点之间的距离与方向角；所述移动机器人120根据所述与目标点之间的距离和方向角进行运动；当运动到判断与目标点之间的距离小于阈值时则停止前进。如小于1m时，停止行进。所述移动机器人获取与目标点之间的距离与方向角的步骤包括，将当前点和目标点的经纬度和海拔高度转换为三维直角坐标下的三维位置，利用两点之间距离公式获取与目标点之间的距离，通过Angle＝arctan((Bw-Aw)*cos(Bj)/(Bj-Aj))*180/pi获取方向角Angle，其中Bw、Bj为目标点经纬度，Aw、Aj为当前点的经纬度。

所述上位机110根据所述自主巡逻路线生成包含经纬度信息的离散路径序列的步骤包括：按照所述GPS模块121的定位精度划分成多个离散的经纬度坐标，将所述多个离散的经纬度坐标作为所述离散路径序列。本发明实施例中直接将根据定位精度划分离散点，保证了每个点的精度，如定位精度为0.5m，这每个点之间的间距大于0.5m，也可大于精度的两倍，可为2m，5m等。

在实际场景中，并不是所有的点机器人都可以到达，本系统将实际可到达点与机器人预定路线进行逼近，复合实际情况，具体地，所述上位机110根据所述自主巡逻路线生成包含经纬度信息的离散路径序列的步骤包括：按照所述GPS模块121的定位精度划分成多个离散的经纬度坐标，获取所述移动机器人120当前位置、可到达位置，根据可到达位置和多个离散的经纬度坐标进行最大化近似处理，从所述可到达位置中选取位置作为所述离散路径序列。发送给所述移动机器人120，移动机器人120进行逐点运动。

本发明为了用户在使用上位机时直观观察所述移动机器人120的位置，所述上位机110中显示有电子地图，所述移动机器人120还用于回传当前经纬度信息给所述上位机110，所述上位机110根据所述经纬度信息切换所述电子地图的中心或者电子地图上与所述经纬度信息对应的位置显示标记。

为了运用所述移动机器人120实现较为复杂的如拆弹，排障的抓取的功能，所述移动机器人120上还设置有机械手臂123，所述移动机器人120接收上位机指令控制所述机械手臂123工作。

为了对所述移动机器人120周围的环境进行监控，所述移动机器人120上还设置有摄像头124，所述移动机器人120将摄像头124拍摄的图像回传给所述上位机110。所述上位机110进行存储或者实时显示。

由于所述移动机器人120远离操作人员，需要对所述移动机器人120将电机转速信息、当前经纬度信息、目标经纬度信息、当前指向角度、目标距离及方向角中的一个或多个信息传给所述上位机110进行显示。

所述移动机器人120为履带机器人，机器人本体左右两侧各安装有多个震轮组。利用履带式机器人可运用到各种地面环境，提高了地形适应能力，更加符合实际场景，另外，采用了震轮组保证了机器人本体上的元器件的连接安全。

本发明实施例中自主行进机器人系统能够，不用实时交互定位导航信息，仅需一次传递目标点，即能实现导航，这样，在较为复杂的环境中，如果丢失连接，移动机器人还能利用存储的离散目标点继续运动，避免了机器人停机，脱离控制的情况发生。另外，生成离散点时，综合考虑GPS的定位精度，再结合实际运行中机器人可以到达的位置进行离散点的生成，更加复合实际情况。基于GPS定位技术实现无人驾驶的方法与路线采集成图的方法结合，系统可根据巡逻范围和路线自动生成对应的离散路径图，使得履带车机器人能够在常见道路(宽约六米)中自主行进监控。满足大型建筑室外场地巡逻需求。

实施例二

本发明实施例提供了一种自主行进机器人系统，其机器人本体如图2所示，设计思路如下：

(1)系统通讯设计思路

本多功能巡逻辅助系统由两部分构成，包括履带车机器人、上位机软件及其通讯外设。PC端程序通过通讯外设实现与履带车机器人的无线通讯，其运行原理如图3所示。

(2)履带车机器人设计思路：

采用全金属履带车车体，主控芯片与其它部件采用星形拓扑连接，其它部件有电机驱动部件，无线通信部件，陀螺仪，GPS卫星定位模块，摄像头采集与传输部件，激光测距模块，舵机控制板等等。两个独立电源分别为电机驱动部件及其它部件供电。其结构如图4所示。

(3)上位机软件设计思路

采用C#语言于VisualStudio开发平台编程实现可运行于windows系统的上位机程序。其中通过对百度地图API的调用，使得上位机程序能实时显示履带车机器人在卫星地图中的运行轨迹。此外，PC端程序能实时显示机器人运行参数，且能直接人为地调整机器人自主巡逻路线或者操纵机械手臂做简单的抓取操作。

履带车移动平台设计与实现：

该机器人采用金属履带车机器人移动平台，左右各安装8组震轮组，密布的震轮组可以驾驭复杂地面的颠簸感，使其背负的仪器更加平稳。履带车机器人移动平台具有移动平台体积小、内部开发空间大的优点。机器人主控芯片采用STM32F103，其丰富的片内外设，可以方便机器人进行各种功能的扩展。机器人系统的移动平台基本组成模块包括GPS定位模块、陀螺仪、激光测距模块、20A大功率电机驱动模块。在待巡逻区域，该机器人可进行无需人为控制的自主行进监控。

硬件设计实现

(1)履带车电机驱动硬件实现

如图5所示，该机器人需要对两路电机进行控制，并需要随时调整PWM波的占空比，还要能够及时处理外界返回的经纬度信息、方向角信息，综合考虑选择了STM32F103作为主控芯片。

电机驱动模块采用20A大功率直流电机驱动模块，输入电压范围为12～30VDC，最大输出电流20A，最大输出功率500W，控制接口非常简单：A1.A2＝0.0时为刹车，A1.A2＝1.0时为正转，A1.A2＝0.1时为反转，PA为PWM波输入，占空比最高达98％，G为控制板共地引脚，(电机B按同样规则控制)。本系统采用片内定时器通过输出占空比可调的20KHz的PWM控制信号，实现对电机的调速控制。

(2)履带车其它模块硬件实现

除去最基本的电机驱动部分，履带车平台仍有以下五个基本部件均通过串口与主控芯片结合：

本组所采用STM32F103型号共有片内串口通讯位5个，做如下硬件层面的分配使用：

主控芯片串口位分配表

履带车移动平台是上述多项部件的有机组成，应用于实际场景的自主行进监控时，机器人将充分利用上述部件的作用结合，使得已经实现自主行进控制不仅仅是基于GPS的向定点自动行进的控制。而是考虑实际路段特性与障碍等不定因素下的综合实现。机器人将检测路沿突起实现不越界行驶、自动绕开前方障碍、自动靠有路沿路段右侧行驶等等效果。

备注：摄像头及其无线图传部件与主控部件分开，独立于车体外工作；机械手臂部件；以上两部件为履带车移动平台之外的组合，在3.5-巡逻辅助系统设计中详细说明。

(3)履带车移动控制软件设计实现

对电机的控制，采用STM32F103片内定时器PWM输出模式，硬件产生频率为20KHz、占空比可调的PWM波信号。通过控制两路PWM信号的占空比实现两路电机的差速，从而实现机器人的前进、后退、加减速、左右转、在行进中调整方向等效果使其灵活运动。

对电机的控制程序分为三个层次，分别为基础控制函数、高级控制函数和接口控制函数(全局函数)这三个层次。基础控制函数根据调用时所给予的数值来改变PWM波的占空比，实现马达的转速调节；高级控制函数则将一系列不同的参数值PWM基础控制函数以时间顺序组合封装在一起，实现了基础的履带车的行动功能；接口函数则将所有的高级PWM控制函数封装在一起，其他程序在调用接口函数时赋予参数不同的数值，接口函数根据不同的数值调用不同的高级PWM控制函数。实现机制如下：外部程序调用接口函数，接口函数根据参数的不同值调用不同功能的高级PWM控制函数，高级PWM控制函数则继续调用基础PWM控制函数来改变PWM的占空比，控制电机转速，从而实现不同的行进功能。具体实施方案如下：

通过voidMotorPWM(intLeftspeed，intRightspeed)函数，每当需要改变电机转速时，就传输两个PWM波的占空比给该函数，主控芯片利用定时器自动产生对应占空比的PWM波，这样机器人便会产生不同的速度。通过引擎急停、引擎减速、引擎向前加速、引擎向后加速、左右电机相对反向旋转、左电机减速、右电机减速对应的函数便可以方便的实现机器人的控制。例如：当想实现左转动作时，只需要调用左电机减速的函数，小车减速只需要同时改变两侧电机的PWM波占空比，最后调用电机总控制函数，向其传入模式对应的数值，就可以完成电机速度的改变。机器人移动平台软件设计框图，如图6所示。

基于履带车的自主行进实现：

(1)自主行进概述

履带车的自主巡逻功能使用stm32处理器，主要由陀螺仪和GPS模块、激光测距模块组成，其中GPS模块返回履带车所处地点经纬度(精确度平均在3米上下)，并由单片机计算出与目标点之间的方向角、距离。同时，陀螺仪模块返回履带车所处的方向角。并转动履带车直到陀螺仪返回正确的方向角。当小车检测到与目标点之间相差在3米以内时，则不再前进。此过程中，激光测距模块用于检测路沿突出及前方避障处理。

硬件部分主要包括陀螺仪和GPS模块、激光测距模块三部分。陀螺仪使用GY-953陀螺仪模块，陀螺仪模块可以将履带车此时的欧拉角、四元素、加速度等多种信息全部发送给控制芯片，但控制芯片所需要的只是陀螺仪此时的方向角，因此这里涉及到字符串提取的算法，控制芯片提取出其中计算出方向角所需要的数据，并计算出此时的方向角。GPS模块可以每一秒可以接收到一次卫星所发来的经纬度数据，所发来的数据为一串字符串，其中包含经纬度，当地时间等多种信息，因此同样涉及到对GPS模块发来的字符串进行提取，只提取出当地的经纬度，并与目标地点的经纬度进行比较，利用公式计算出与目标地点之间的距离与方向角。激光测距模块则是通过相应的请求指令获知前方障碍距离。

(2)自主行进实现策略与方案

1.已知单点自主行进实现

陀螺仪模块可以为控制芯片提供当前的方向角，GPS模块可以为控制芯片提供履带车所在经纬度，摄像头可以识别前方道路状况，蓝牙模块用来实现主控芯片与上位机之间的通信。

首先，当履带车获取目标经纬度之后，履带车启动，接着履带车结合车上所搭载的激光测距模块判断前方是否有障碍物的存在，如果有，则进行相应的避障处理，直到检测到前方没有障碍物的出现，这时，控制芯片接收GPS模块传来的履带车此时所在经纬度，并通过特定算法求出与目标点之间的距离与经纬度，计算距离通过球面坐标转换为直角坐标的方法。

如设Xa，Ya，Za，为A点在三维直角坐标系下的坐标，B点同样有此坐标。Ha为A点海拔高度，Hb为B点海拔高度。则

Xa＝(R+Ha)*cos(Aw)*cos(Aj)；

Ya＝(R+Ha)*cos(Aw)*sin(Aj)；

Za＝(R+Ha)*sin(Aj)；

同样对于B点的坐标亦有此式：

ΔX＝Xa-Xb；ΔY＝Ya-Yb；ΔZ＝Za-Zb；

这样便可得出两点之间距离D＝√ΔX²+ΔY²+ΔZ²。

而两点之间的方向角则可以通过公式：

Angle＝arctan((Bw-Aw)*cos(Bj)/(Bj-Aj))*180/pi；

得到。

在程序中，可以把两个点的经纬度带入以下两个函数

doubleCalDistance(theodoliteA，theodoliteB)；

doubleCalAngle(theodoliteA，theodoliteB)；

便可以得到两点之间的距离和方向角。

履带车机器人判断与目标点之间的距离是否在1.0米以内，若没到达1.0米以内，则继续前进，若在1.0米以内，则认为到达该点，以1米作为条件阈值的原因是此GPS模块的精度即在2.5米左右，而以1米做阈值则达到结果更加准确的目的。与此同时，主控芯片收到陀螺仪模块发送的履带车此时所处的方向角，此方向角以正北为0度，按北偏东计算，如正东则为90度，正西为270度。通过该函数intGetDirection()的调用，便可以整型数据获得当前方位角。当然，GPS模块返回的方向角同样被更改为了以这种模式计数，为了更清楚的表述，后面我们把陀螺仪返回的角度称为实际角度，GPS模块得到的角度称为理论角度。当实际角度小于理论角度时，则单片机发出指令控制履带车右转，当实际角度与理论角度相等时，则停止右转，继续前进。当实际角度大于理论角度时，同样逻辑保持履带车在正确的方向上前进。当显示到达目标点时，履带车并没有真正停止，而是多次获得当前经纬度取平均值计算与目标点之间距离是否在1米以内，如果在1米以内，则停止运行，认为到达该点。自主行进的流程如图7所示。

2.结合已知单点自主行进与离散路径图的自主巡逻实现

通过上位机联网将获得某区域的卫星地图(通过百度地图API的调用)，在用户通过图形化界面在地图上指定了所需巡逻的区域后，注意，该项实现需要事先人为地采集实际道路信息传给上位机形成原始道路图。上位机软件将自动指定路径按照GPS模块的定位精度大小划分成有限个离散的经纬度坐标，这样便可以把点对点之间的行进实现应用在其中，通过一定的数据结构将其组织形成对应原始路线的离散路径图。在向履带车机器人下达工作安排时，将一次性地将该离散路径图传至履带车。履带车将结合向已知单点自主行进和离散路径图，能过一个点一个点地到达实现自主巡逻的。在一个存在环路的路径图中，系统将利用图论的知识寻找最佳巡逻方案来执行。

在履带车开始巡逻工作前，履带车参考利用此时的所在位置与用户指定的行进安排，结合地图在地图上选出若干个方便履带车到达的点，并且对用户指定的路线达到最大化的近似，这若干个点便是一张离散路径图，通过一定的算法计算出最优的巡逻路径，然后通过离散路径图上获得的多个点，找到与之对应的经纬度坐标，结合向已知单点自主行进的功能，多次调用，逐个到达目的地，直至完成巡逻任务。其运行流程参照图8所示。

端上位机软件设计与实现：

(1)设计要求

·该上位机程序能通过百度地图API调取卫星地图并能实现依据地图界面上的点联网获取对应位置的经纬度，同时能根据履带车传回的经纬度自动显示履带车所走路径的功能。

·上位机应当识别与PC所连接的通讯外设，使得用户能通过上位机有效经通讯外设向履带车机器人传输信息。

·上位机应当能够对下位机所发送的数据进行接收和处理，并能实时显示履带车返回的各项信息。处理数据的流程如图9所示。

·上位机中应当存储有一定的路径信息，每次启动小车时应有合适的算法能使上位机在储存好的点中选取合适的子集自动生成小车工作所需的离散路径图

·上位机中应包含直接控制履带车各个模块工作状态的选项功能

(2)上位机程序设计思路

如图10所示，使用微软的C#高级编程语言，编写上位机整体的框架及数据处理及显示机制，并在地图显示部分使用JAVASCRIPT直译式脚本语言编写了一个网页端口，在其中调用了百度地图API，实时显示当前地点的图像。在与履带车移动平台保持通讯的基础上，实现了上位机程序实时反映履带车平台的数据信息，PC端可随时地调控履带车的工作状态的目标。

a.上位机程序系统设计思路

上位机程序通过通讯外设获取下位机信息后，先将其转存到一个数组之中，并开始查询数组中有无符合我们所定义的格式的字符串，如果有则与我们所储存的字符串对照表进行对照，看看对应到哪一项数据，并在对应的显示窗口中显示，同时如果在上位机中选中中心切换或者当前小车位置显示，则若小车传回的经纬度发生变换就会根据新的经纬度切换地图中心或者是以一个红点标定出当前经纬度所对应的位置。同时设置了一个发送端口，如果出现了一些意外情况，用户可以在这个端口输入想要发送的指令然后发送给履带车。

b.关于C#调用百度地图API的思路

我们通过百度地图API来实现地图的实时显示。百度地图API是一种通过JavaScript语言编写的嵌入到网页的API。应用者不用创建自己的地图服务器，通过它可把百度地图嵌到所开发的平台中，然后借助百度地图的地图数据为用户提供位置定位服务。

实现方案是先在C#窗口中建立一个webBrowser控件，并将其连接到编写好的JAVASCRIPT网页中，在该网页中通过使用我们自己申请的百度密钥来获取百度地图提供的JAVASCRIPT库，从而即可调用百度地图API。

为了能在C#中对地图做出更精密的操作，我们设置了几个空的div标签，若有改变地图中心或在地图上放置一些图片的需要，则在C#中对这些div的值进行操作，JAVASCRIPT网页中会不停的检测这些值，当发现他们改变了就会进行对应的操作。同时C#程序若想从网页中获取一些指定的数据如鼠标所在位置的经纬度之类，我们在JAVASCRIPT网页中设置其应不停的检测鼠标移动或鼠标点击等事件，当这些事件发生时就会做出相应的操作，获取指定的信息，并将这些信息放到指定的div中，在C#中只需读取这些div中的数值就可以完成信息的获取。

上位机各显示端口说明

上位机左边显示了各个模块传回来的参数，分别是电机的转速，GPS传回的当前经纬度，小车传回的目标经纬度，陀螺仪传回的目前指向的角度，以及单片机测得的距离下一个目标点的距离及角度，同时可以在命令端口中输入想发送的命令，按send键即可发送，在与网页的交互方面，每次单击鼠标即可获得所点击的点的经纬度，并显示在鼠标经纬度里，同时整个上位机的左下角还会实时显示鼠标悬浮位置所对应的经纬度。

如图11所示，上位机右边就百度地图提供的地图显示，根据我们设定的中心点显示附近的图像，同时当选中显示轨迹按钮时小车当前的位置会以小标记点的形式在地图上标记出来。

巡逻辅助系统设计：

本项目包含履带车机器人与上位机程序两个部分，实现了无需人为控制的自主巡逻功能。以此为平台，我组设计添加了一系列的软件硬件模块用作巡逻辅助功能的实现，使之整体可用于大型建筑物或建筑群室外场地执行无人控制的巡逻监控任务。可在无人看值的情况下按照指定路径进行巡逻，通过上位机程序可看到摄像头画面。另一方面，履带车配备的机械手臂可在上位机端通过人为控制进行执行一定的动作事件以满足部分实际操作需求。再者，履带车有相应的对讲机部件，可用于与上位机端的值守人员进行通话。本项目尽可能地在理论可行的前提下探索履带式机器人替代人类执行高强度安巡逻监控任务的实现方案：

·上位机程序远程无线操控机械手臂

机械手臂选用的是六自由度金属架机械手臂，装配于履带车之上，能相应地完成一些抓取、投放动作。可直接于无线手柄控制，指令来至于主控芯片的处理，即可最大程度通过软件层面设计机械手臂的动作组成。

·无线远距离视频监控

目前使用的是700线的摄像头，通过5.8Ghz600mw的无线图传模块对进行视频传输。可通过独立显示器播放实时的视频图像，在本组设计作品中，图像将经上位机程序处理与保存。

本发明的机器人系统的使用方法如下：

1、使用配套上位机软件在百度地图窗口中选择履带车机器人将要做自主巡逻的路段，完成后选择下放自主巡逻安排到机器人。

2、依次启动履带车机器人电机供电与主控供电，将机器人至于预定巡逻路段或者周围直线范围无阻挡位置。机器人即进入自动巡逻模式，执行自主行进监控任务。

3、在机器人自主巡逻的过程中，用户可在上位机程序处实时查看到机器人的运行参数以及摄像头图像。实现了履带式机器人替代人类执行室外巡逻的目标，人们只需在室内通过显示屏监控情况。

4、在机器人正常工作时，可通过上位机软件操控六自由度机械臂进行一定的抓取操作。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自主行进机器人系统，其特征在于，包括上位机、安装有GPS模块的移动机器人和用于在所述上位机与所述移动机器人之间传递信息的通讯外设；所述上位机用于接收自主巡逻路线，根据所述自主巡逻路线生成包含经纬度信息的离散路径序列，并将所述离散路径序列发送给所述移动机器人；

所述移动机器人根据GPS模块采集到的自身位置作为当前位置，将所述离散路径序列作为目标位置进行逐个点到点行进。

2.根据权利要求1所述的自主行进机器人系统，其特征在于，所述移动机器人进行点到点行进的过程如下：

当所述移动机器人获取目标位置经纬度之后，利用所述移动机器人上搭载的激光测距模块判断前方是否有障碍物的存在，如果有，则进行壁障处理，直到检测到前方没有障碍物的出现；利用GPS模块获取所述移动机器人当前所在经纬度，并求出与目标点之间的距离与方向角；所述移动机器人根据所述与目标点之间的距离和方向角进行运动；当运动到判断与目标点之间的距离小于阈值时则停止前进。

3.根据权利要求1或2所述的自主行进机器人系统，其特征在于，所述上位机根据所述自主巡逻路线生成包含经纬度信息的离散路径序列的步骤包括：按照所述GPS模块的定位精度划分成多个离散的经纬度坐标，将所述多个离散的经纬度坐标作为所述离散路径序列。

4.根据权利要求1或2所述的自主行进机器人系统，其特征在于，所述上位机根据所述自主巡逻路线生成包含经纬度信息的离散路径序列的步骤包括：按照所述GPS模块的定位精度划分成多个离散的经纬度坐标，获取所述移动机器人当前位置、可到达位置，根据可到达位置和多个离散的经纬度坐标进行最大化近似处理，从所述可到达位置中选取位置作为所述离散路径序列。

5.根据权利要求1或2所述的自主行进机器人系统，其特征在于，所述上位机中显示有电子地图，所述移动机器人还用于回传当前经纬度信息给所述上位机，所述上位机根据所述经纬度信息切换所述电子地图的中心或者电子地图上与所述经纬度信息对应的位置显示标记。

6.根据权利要求1或2所述的自主行进机器人系统，其特征在于，所述移动机器人上还设置有机械手臂，所述移动机器人接收上位机指令控制所述机械手臂工作。

7.根据权利要求1或2所述的自主行进机器人系统，其特征在于，所述移动机器人上还设置有摄像头，所述移动机器人将摄像头拍摄的图像回传给所述上位机。

8.根据权利要求1或2所述的自主行进机器人系统，其特征在于，所述移动机器人将电机转速信息、当前经纬度信息、目标经纬度信息、当前指向角度、目标距离及方向角中的一个或多个信息传给所述上位机进行显示。

9.根据权利要求1或2所述的自主行进机器人系统，其特征在于，所述移动机器人为履带机器人，机器人本体左右两侧各安装有多个震轮组。

10.根据权利要求2所述的自主行进机器人系统，其特征在于，所述移动机器人获取与目标点之间的距离与方向角的步骤包括，将当前点和目标点的经纬度和海拔高度转换为三维直角坐标下的三维位置，利用两点之间距离公式获取与目标点之间的距离，通过Angle＝arctan((Bw-Aw)*cos(Bj)/(Bj-Aj))*180/pi获取方向角Angle，其中Bw、Bj为目标点经纬度，Aw、Aj为当前点的经纬度。