CN107368073A - 一种全环境多信息融合智能探测机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全环境多信息融合智能探测机器人系统，该系统包括机器人和以及用于对复杂环境进行监控并规划路径的监控终端(17)，所述的机器人无线连接所述的监控终端(17)，所述的机器人包括处理器单元以及分别与处理器单元连接的导航信息采集单元、环境信息采集单元(5)、运动控制单元和WIFI通信模块(11)，所述的WIFI通信模块(11)将处理器单元和监控终端(17)进行通信连接。与现有技术相比，本发明不仅能够精确实现室内外全环境自主定位导航，而且能够精确的获得室内环境信息，完成构建地图及避障与路径规划功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能探测机器人系统，尤其是涉及一种全环境多信息融合智能探测机器人系统。
背景技术
科学技术发展到现如今，伴随计算机技术的飞速发展，人类文明已经进入到一个新的高度，机器人的出现给人们的日常生活带来了新的方式和巨大推动力量,日益自主化、智能化的各类角色机器人的不断发展，带给人类未来无限的发展空间。自从1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人,机器人的历史才真正开始，也拉开人类历史进步的机器时代的帷幕。随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。因此，自主移动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。
智能移动机器人，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，它包含了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，是多学科门类为一体的交叉性、综合性尖端科学，代表机电一体化的最高成就和高技术的发展前沿，是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。如同我们人类不能够单靠一个器官了解认知环境，如若要系统的认识世界并自主避障移动就必须通过眼睛观察环境，鼻子感知环境气味，耳朵获得声音信息，皮肤感受环境温度，这所有的信息通过大脑处理最后由躯体四肢做出响应，机器人也是如此，具有在复杂环境下，对象识别，自主推理，路径规划及避障控制功能，就需要多个传感器共同协作，获取完整环境信息。
通常这些传感器提供的信息有些是互补的，有些是冗余的，必须以一定的方法融合这些互补或冗余的传感器信息，以充分利用多传感器提供的信息，才能获得最佳的、可靠的环境信息，从而更准确、更全面地反映出外界环境的特征，为自主避障、定位导航等提供快速、正确的依据响应。所以多传感器信息融合技术是移动机器人研究的关键技术之一，也一直是移动机器人研究中的热点问题，通过多传感器信息融合，对复杂危险环境以及人类所不能触及的情况下探测，具有非常高的研究价值和推广意义。总之，机器人毋庸置疑将成为科技未来发展的引领，全球研究热点所在，也是我们人类解决能源危机、环境危机的出路所在。此外，千百年来人类对宇宙的探索从未停止，各国研究宇宙探测机器人，伴随着人来对机器的依赖，市场需求更是空前巨大，相信在这样的时代背景下，本项目所研究的多传感器信息融合自主机器人将有非常大的发展空间。
现代机器人技术发展以智能化方向发展为重要标志，呈现出一些新的特点和趋势，例如传感型智能机器人发展加快，微型机器人的研究有所突破，新型智能技术不断开发，应用领域向非制造业和服务业扩展等。智能机器人技术快速发展促进了机器人在制造业领域的应用与发展，也使机器人开始向非制造领域扩展，这些非传统领域有航天、海洋、军事、医疗、护理、服务、农林、采矿等。机器人在这些领域有广阔诱人的前景，在当今还不能或难以发展全自主智能机器人的情况下，工作于人机交互方式下的具有临场感的遥操作机器人系统是完成复杂或有害以及无法进入的环境下作业的有力手段，而为机器人在现代生物、医学工程、微机械加工与装配等工程中大有作为。
在行星探测机器人研制方面，美国和俄罗斯处于世界领先地位。从20世纪60年代开始，美、苏向月球以及金、火、木、土等星球发射了许多探测器。格林威治时间1997年7月4号17时07分，美国国家航空航天局发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星表面着陆。探路者登陆器上带有各种仪器及“索杰纳”火星车团，这是上世纪自动化技术的最高成就。
日本对机器人的设计也处于领先地位。日本京都大学科研人员已经开发出一种新型机器人，能在强烈地地震发生后到废墟中探测被埋人员。还专门进行了使用演示。这种机器人外表像一条粗大的节足昆虫，长1.43m，由7节组成，每节周身都缠满纵向履带。它可以在遥控下从瓦砾的夹缝中蜿蜒穿行，装在头部的摄像机镜头会随时传输观察的影像和搜集到的声音，从而供控制者判断里边是否需要救助的存活人员。
近十几年来我国才开始研制行星探测机器人，2000年北京航空航天大学机器人研究所研制了一种自动球型行星探测机器人。同一年，中国科学技术大学也研制了一台月球探测车的模型。近几年上海交通大学也在研制一种球型行星探测机器人。经过了40多年的研究与开发，国外在行星探索机器人领域取得了大量的成果，但是，陷入软土壤中或倾翻后能自动恢复正常行驶能力的行星探测机器人还有待研究和开发。国内在行星探测机器人方面的研究刚刚起步，有待于奋起直追。
地震生命探索机器人的研究与探索也是环境机器人重点的研究方向之一。地震作为最危险的地质危害之一，且无法预知、破坏力大、容易引发再次灾害等特点。我国有大学50家左右的高等院校和研究所在从事研究各类机器人的研究工作，在40多年来，已在机器人视觉识别、人机接口技术、移动技术、传感器技术、智能化技术等方面取得了巨大的成就。2009年12月沈阳新松机器人公司研制出了国内首台具有生命探测功能的井下探测救援机器人。该机器人上的拾音器可以捡拾呼救声音，红外热成像仪可以探测到人体，机器人还可以配载食品、水、急救包等物品。日本作为一个多核能、多地震国家，在救援机器人方面展开了相对全面的工作。冈山大学大学院自然科学研究科研制出的不平整地面救援机器人“RESDOC”，它底部的履带支撑为多个从动三角形辊架，具有良好的灵活性以适应地形。日本神户大学高森年等研制的UMRS系列机器人，可以将机器人用于废墟瓦砾中的探察作业。在美国，许多高校的研究中心、国家研究机构和公司也在同时进行救援机器人的研究。加利福尼亚工业大学HELMICK等研制出多传感器救援机器人，该种机器人结构简单易控，具有快速爬楼梯的能力。南佛罗里达大学灾难救援机器人研究中心MURPHY等研制出安装有医学传感器的救援机器人Bujold底部采用可变形履带驱动就有较高的运动和探测能力，同时机器人也能够在灾难现场获得幸存者的生理信息和环境信息，并传输到外界。灾难救援机器人研究逐步从实验研究转入到实际应用，多种技术融合化，多种智能体网络化是今后灾难救援机器人研究的发展方向。防灾、减灾和救灾事关人民生命和财产安全，是国家公共安全的重要组成部分。救援机器人技术是国家发展迫切需要的战争的核心技术之一，将在国民经济和安全起着重要作用并具有重要的战略意义。
如发明专利CN201510475761.7所述的是一种多功能无人探测机器人，具有足式行走和轮式滚动两种运动方式，属于为止环境探测技术领域。由运动系统、信息采集系统、控制系统和上位机构成，运动系统又分为轮式运动系统和足式运动系统，信息采集系统由样本采收装置、图像采集装置、图像显示装置和传感器信息采集装置组成，控制系统由主控制板、主控制器、辅助控制器、电源稳压模块、语音识别模块、舵机驱动接口、无线通信模块和传感器驱动模块组成。这个发明具有越障能力较突出、行走方式适应能力强等优点。但针对比较复杂的室外室内环境，此发明不能很好有效的解决此类问题。
再如发明专利CN201110201061.0所述的是一种履带师环境探测机器人系统，包括机器人载体和控制机器人载体工作的控制端，所述机器人载体包括工控机和运动力模块，所述动力模块包括直流电机、驱动直流电机的驱动模块、编码器、齿轮箱和履带，所述机器人载体还包括与控制端进行无线通信的无线电台模块、用于检测风速的风速模块和用于检测风向的风向模块，所述无线电台模块、风速模块和风向模块分别与所述工控机相连；所述控制端设有给机器人载体发送控制命令的发送端，所述机器人载体上设有接收控制端发送命令的接收端，使得工作人员在远离危险环境的情况下，也可以探测当地的环包括气象要素在内的环境信息，以供特殊情况下正确决策使用。此发明有效的解决了特殊条件下探测机器人的使用瓶颈，但适用范围不光，而且效率不高。
又如专利CN200910071827.0，所述的是一种探测机器人柔性类椭圆车轮，它涉及一种探测机器人车轮。针对现有探测机器人车轮采用刚性圆柱形车轮，探测机器人在松软的月面坡路上行走时，车轮易发生打滑、沉陷现象及当刚性车轮与石块发生碰撞时，会对车轮内部部件造成冲击，影响使用寿命问题。驱动法兰盘固装在轮毂中的减速器的输出轴上，调节杆的中部装在轮毂中的减速器的输出轴的轴端上并与其铰接，支撑杆的一端与调节杆的端部铰接，另一端与滑杆铰接，滑杆的两端与柔性轮圈的内缘和弹簧固接，弹簧装在驱动法兰盘的凹槽内并与驱动法兰盘固接，柔性轮圈的外缘上固装有齿片。此发明的车轮具有与月面接触面积大，接地压力降低，车轮沉陷减少，车轮通过性能好，车轮使用寿命长的优点。但是适用范围比较窄，能够提升的空间也不大。
面对室内室外环境越来越复杂，全环境探测机器人市场需求越来越大，并且要求质量越来越高，适用范围越来越广。上述移动机器人或者环境探测机器人系统都不能完全解决现如今环境探测机器人面临的问题与需要完成的任务。随着移动机器人应用环境的日趋复杂，机器人探测的环境不确定性和敌对性的因素就越多，机器人对环境的感知方式和感觉范围也有限，而且移动机器人感觉到的信息还存在噪声，这些问题都是国内外专家学者研究的关键。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种全环境多信息融合智能探测机器人系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种全环境多信息融合智能探测机器人系统，该系统包括机器人和以及用于对复杂环境进行监控并规划路径的监控终端，所述的机器人无线连接所述的监控终端，所述的机器人包括处理器单元以及分别与处理器单元连接的导航信息采集单元、环境信息采集单元、运动控制单元和WIFI通信模块，所述的WIFI通信模块将处理器单元和监控终端进行通信连接。
所述的处理器单元包括中央处理器和传感器信息处理模块，所述的传感器信息处理模块连接导航信息采集单元和环境信息采集单元，传感器信息处理模块用于将导航信息采集单元以及环境信息采集单元采集的信息进行预处理并发送至中央处理器，所述的中央处理器连接信息融合处理模块、运动控制单元和WIFI通信模块。
所述的导航信息采集单元包括激光雷达传感器、惯性测量传感器、GNSS卫星导航模块和摄像头图像采集模块。
所述的环境信息采集单元包括温度传感器、湿度传感器和有毒气体检测传感器。
所述的运动控制单元包括运动控制器、驱动模块以及轮速传感器，所述的轮速传感器设置在前轮舵机和后轮舵机上，所述的轮速传感器连接运动控制器，所述的运动控制器连接处理器单元，所述的运动控制器还通过驱动模块连接前轮舵机和后轮舵机，所述的前轮舵机和后轮舵机分别设置两个，四个舵机分别连接机器人的四个麦克纳姆轮。
所述的机器人上设有用于人机交互的液晶显示屏。
所述的机器人上还包括用于存储导航信息、环境信息以及处理器单元规划的路径信息的存储器，所述的存储器连接处理器单元。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明导航信息采集单元搭载激光雷达、惯性导航测量传感器、GNSS卫星导航模块和摄像头图像采集模块，能够实现机器人的全环境室内外定位导航，可以获得比任何单一传感器更高的分辨率，克服了传统导航机器人的环境约束；
(2)本发明搭载了环境信息采集单元，针对复杂环境，比如地震引起的坍塌搜救、矿难发生的涵洞巷道探测、辐射有毒环境以及环境导致人类不能直接到达的区域，对特征比较明显的有毒有害气体、空气温度湿度等传感采集，也可以生命探测，紧急救援，同时也结合激光雷达模块可实现室内复杂环境的地图构建，并自主选择路径，躲避或穿越障碍物，自主规划或无线遥感控制到达特定的目标区域，通过WiFi建立与监控终端数据通讯，监测与控制机器人行为，实时的地图构建，精确定位，模块化的设计简化了系统的结构，提高了可靠性，功能更加的多样化，实现了较好的代替人类危险区域探测作业的任务。在硬件上保证了危险环境探测的准确性，本发明经过升级改造后也将可应用于外星球探测，或者未知领域的地理地图构建，具有广泛的应用前途和推广意义；
(3)本发明通过WIFI与监控终端建立数据通讯，从而实现信息共享，使得用户远程获得需要探测环境的信息，并可以通过监控终端控制机器人行为，特别地，本发明机器人搭载液晶显示屏示人机交互界面，能有全面地反映机器人工作状态；
(4)本发明机器人系统采用单元模块化的设计方式，方便使用者能够根据功能需求搭配模块；
(5)本发明采用麦克纳姆轮作为机器人的轮体，有效的实现机器人全方位运动功能，克服了机器人的环境单一使用不足，增强了系统的生存能力，扩展了空间覆盖范围，提高了可信度，降低了信息的模糊度，改进了探测性能。
附图说明
图1为本发明全环境多信息融合智能探测机器人系统的结构框图；
图2为本发明机器人的主视图；
图3为本发明机器人的俯视图。
图中，1为激光雷达传感器，2为惯性测量传感器，3为GNSS卫星导航模块，4为摄像头图像采集模块，5为环境信息采集单元，6为运动控制器，7为驱动模块，8为轮速传感器，9为前轮舵机，10为后轮舵机，11为WIFI通信模块，12为液晶显示屏，13为存储器，14为电源，15为中央处理器，16为传感器信息处理模块，17为监控终端，18为麦克纳姆轮，19为减震弹簧。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1～3所示，一种全环境多信息融合智能探测机器人系统，该系统包括机器人和以及用于对复杂环境进行监控并规划路径的监控终端17，机器人无线连接监控终端17，机器人包括处理器单元以及分别与处理器单元连接的导航信息采集单元、环境信息采集单元5、运动控制单元和WIFI通信模块11，WIFI通信模块11将处理器单元和监控终端17进行通信连接。
处理器单元包括中央处理器15和传感器信息处理模块16，传感器信息处理模块16连接导航信息采集单元和环境信息采集单元5，传感器信息处理模块16用于将导航信息采集单元以及环境信息采集单元5采集的信息进行预处理并发送至中央处理器15，中央处理器15连接信息融合处理模块、运动控制单元和WIFI通信模块11。ARM Cortex系列双核处理器的Linux系统，将预制传感器节接口，用户根据环境需要搭载特定的传感器模块，同时也通过WIFI通讯可将传感器数据实时发送到PC监测端，远程控制机器人的运动状态。
导航信息采集单元包括激光雷达传感器1、惯性测量传感器32、GNSS卫星导航模块和摄像头图像采集模块4，GNSS卫星导航模块具体采用高精度RTK Multi-GNSS定位模块，当机器人室外工作时，将切换成惯性导航单元与GNSS模块组合导航，GNSS模块为高精度RTKMulti-GNSS定位模块，支持的GNSS包含GPS/QZSS L1/C/A、GLONASS L10F、北斗B1、SBASL1C/A、Galileo-ready E1B/C，可以提供低至厘米的坐标。另外，激光雷达传感器1采用SLAMTEC公司的360°激光雷达RPLIDAR-A2，具有每秒高达4000次的高速激光采样能力，有效测量范围可达8米，惯性测量传感器32采用垂直陀螺仪6轴传感器IMU动态倾角传感器，实时得到机器人的运动姿态，室外环境遮挡卫星信号弱时实现短时间的位置推测。
环境信息采集单元5包括温度传感器、湿度传感器和有毒气体检测传感器，有毒气体包括甲烷(CH4)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)等。环境检测传感器模块可以完成复杂环境下的空气检测，甚至对有毒气体含量进行检测等等。图像采集设备为摄像头，用于获取环境的图像信息，红外线检测仪用于探测生命活动迹象。
运动控制单元包括运动控制器6、驱动模块7以及轮速传感器8，轮速传感器8设置在前轮舵机9和后轮舵机10上，轮速传感器8连接运动控制器6，运动控制器6连接处理器单元，运动控制器6还通过驱动模块7连接前轮舵机9和后轮舵机10，前轮舵机9和后轮舵机10分别设置两个，四个舵机分别连接机器人的四个麦克纳姆轮18，麦克纳姆轮18通过减震弹簧19与车体进行连接，本实施例运动控制器6采用STM32F407ZGT。
机器人搭载有电源14以及用于人机交互的液晶显示屏12，所述的电源14为可充电锂电池，电源14为机器人各个模块供电，内部设有DC/DC电压转换稳压芯片LM1117得到3.3v直流电给芯片供电，可充电锂电池的电量、机器人工作情况及CPU温度等信息可在液晶显示屏12上显示。机器人上还包括用于存储导航信息、环境信息以及处理器单元规划的路径信息的存储器13，存储器13连接处理器单元。
本发明激光雷达传感器1、惯性测量传感器32、GNSS卫星导航模块、摄像头图像采集模块4以及环境信息采集单元5作为机器人的“眼”，完成机器人环境信息获取，运动控制单元作为智能机器人的“腿”，实现机器人的运动，处理器单元中的中央处理器15(双核ARM)构成机器人的“大脑”，分析环境有效信息，做出避障导航运动决策，当环境信息复杂时，处理器单元通过WIFI通信模块11与监控终端17建立通信连接，监控终端17来完成比较复杂环境或者人类自身不可搜寻的环境探测，从而规划出合理路径供机器人沿规划路径运作。
本发明主路径规划算法采用采用基于激光雷达(LIDAR)和惯性导航单元(IMU)的同步定位与地图构建(Simultaneous localization and mapping，SLAM)定位技术，复杂环境自主探测机器人可自主学习并实现高达0.02m解析度的复杂环境构图能力。根据机器人自主构建的增量式地图，给定复杂环境机器人探测的目标点坐标，通过构图栅格化地图的A*算法实现机器人实时探索并规划处优化路径，抵达复杂环境探索目标位置。机器人可以通过机载的激光雷达和惯性测量传感器32有效地检测出环境的障碍物，防止机器人在运行中碰撞，包含运动物体的探测。致力于对于玻璃、镜子、桌角等光学不可测量物体，通过接触传感器也可以有效地规避。
本发明机器人可以运行由用户自定义的机器人应用程序以及扩展用户的应用环境，复杂环境自主探测机器人配备ARM Cortex系列双核处理器的Linux系统，将预制传感器节接口，用户根据环境需要搭载特定的传感器模块，同时也通过WIFI通讯可将传感器数据实时发送到监控终端17，远程控制机器人的运动状态。机器人通过WIFI模块建立与上位机通讯，机器人数据传输和控制，在当前阶段制作如下的机器人控制构图平台以及机器人位姿监测。
本发明是具有多功能一体化、智能化的综合全环境智能机器人，针对复杂环境，比如地震引起的坍塌搜救、矿难发生的涵洞巷道探测、辐射有毒环境以及环境导致人类不能直接到达的区域，对特征比较明显的有毒有害气体、空气温度湿度等传感采集，也可以生命探测，紧急救援，同时也结合激光雷达模块可实现室内复杂环境的地图构建，并自主选择路径，躲避或穿越障碍物，自主规划或无线遥感控制到达特定的目标区域，通过WiFi建立与PC端数据通讯，监测与控制机器人行为，实时的地图构建，精确定位，模块化的设计简化了系统的结构，提高了可靠性，功能更加的多样化，实现了较好的代替人类危险区域探测作业的任务。在硬件上保证了危险环境探测的准确性，本发明经过升级改造后也将可应用于外星球探测，或者未知领域的地理地图构建，具有广泛的应用前途和推广意义。
Claims (7)
1.一种全环境多信息融合智能探测机器人系统，其特征在于，该系统包括机器人和以及用于对复杂环境进行监控并规划路径的监控终端(17)，所述的机器人无线连接所述的监控终端(17)，所述的机器人包括处理器单元以及分别与处理器单元连接的导航信息采集单元、环境信息采集单元(5)、运动控制单元和WIFI通信模块(11)，所述的WIFI通信模块(11)将处理器单元和监控终端(17)进行通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种全环境多信息融合智能探测机器人系统，其特征在于，所述的处理器单元包括中央处理器(15)和传感器信息处理模块(16)，所述的传感器信息处理模块(16)连接导航信息采集单元和环境信息采集单元(5)，传感器信息处理模块(16)用于将导航信息采集单元以及环境信息采集单元(5)采集的信息进行预处理并发送至中央处理器(15)，所述的中央处理器(15)连接信息融合处理模块、运动控制单元和WIFI通信模块(11)。
3.根据权利要求1所述的一种全环境多信息融合智能探测机器人系统，其特征在于，所述的导航信息采集单元包括激光雷达传感器(1)、惯性测量传感器(2)、GNSS卫星导航模块(3)和摄像头图像采集模块(4)。
4.根据权利要求1所述的一种全环境多信息融合智能探测机器人系统，其特征在于，所述的环境信息采集单元(5)包括温度传感器、湿度传感器和有毒气体检测传感器。
5.根据权利要求1所述的一种全环境多信息融合智能探测机器人系统，其特征在于，所述的运动控制单元包括运动控制器(6)、驱动模块(7)以及轮速传感器(8)，所述的轮速传感器(8)设置在前轮舵机(9)和后轮舵机(10)上，所述的轮速传感器(8)连接运动控制器(6)，所述的运动控制器(6)连接处理器单元，所述的运动控制器(6)还通过驱动模块(7)连接前轮舵机(9)和后轮舵机(10)，所述的前轮舵机(9)和后轮舵机(10)分别设置两个，四个舵机分别连接机器人的四个麦克纳姆轮(18)。
6.根据权利要求1所述的一种全环境多信息融合智能探测机器人系统，其特征在于，所述的机器人上设有用于人机交互的液晶显示屏(12)。
7.根据权利要求1所述的一种全环境多信息融合智能探测机器人系统，其特征在于，所述的机器人上还包括用于存储导航信息、环境信息以及处理器单元规划的路径信息的存储器(13)，所述的存储器(13)连接处理器单元。
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