CN107436610B - 一种智能室外环境的车辆及机器人运载导航方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能室外环境的车辆及机器人运载导航方法及系统，该方法包括：步骤1：依据跨楼栋运输任务将户外环境空间划分成对应的跨楼栋运输区域，每个跨楼栋运输区域配备有对应的无人机；步骤2：无人机通过Kinect识别空中无人机轮廓；步骤3：无人机依据运输任务为运载机器人进行导航，运载机器人通过定位传感器实时识别无人机上携带的地标，跟随无人机前行，直到运载机器人到达运输任务终点；步骤4：无人机与运载机器人的通信中出现障碍物，运载机器人通过Kinect识别障碍物轮廓，计算最大阻碍角，并对无人机位置进行调整；本发明通过无人机对运载机器人进行户外运输任务导航，改变传统运载机器人导航形式，利用无人机的导航准确的特点，提高了运输效率和准确度。

Description

一种智能室外环境的车辆及机器人运载导航方法及系统

技术领域

本发明属于机器人运输控制领域，特别涉及一种智能室外环境的车辆及机器人运载导航方法及系统。

背景技术

如今，机器人被广泛地应用于工厂、医院、超市以及家庭，在社会生活生产中的重要性日益显著。其中运载机器人因其成本低，控制简单，体型小巧，行动灵活等特点，越来越多地被用于完成复杂室内环境中的运输任务。为了使运载机器人有更加广泛的前景，运载机器人除了须在楼层之间执行运输任务外，还须在楼栋之间移动，如能提出一套合理实用的机器人跨楼栋运输方法，运载机器人的作用将会大大提高。

中国专利CN104181926A公开了一种基于地面标志的机器人导航控制方法，包括以下步骤：1.周期性地获取位于运载机器人前方的路面图像；2.根据获取的路面图像，检测路面中是否存在地面标志。如果存在，则根据以路面图像建立的坐标系，计算运载机器人的位置和方向；如果不存在地面标志，则根据航位推测法计算所述机器人的位置和方向；3.运载机器人根据计算的位置和方向，控制所述机器人的行走方向和速度。

发明内容

本发明提供了一种智能室外环境的车辆及机器人运载导航方法及系统，其目的在于，克服上述现有技术的不足，通过改变运载机器人导航形式，利用无人机的导航准确的特点，提高了运输效率和准确度。

一种智能室外环境的车辆及机器人运载导航方法，包括以下步骤：

步骤1：依据跨楼栋运输任务将户外环境空间划分成对应的跨楼栋运输区域，每个跨楼栋运输区域配备有对应的无人机，并对无人机以运输任务的起点和终点进行命名；

每个跨楼栋运输区域配备有一架备用无人机；

步骤2：运载机器人接收运输任务信号，根据地标引导前行至运输起点所在的楼栋大门；

远程控制中心将运输任务发送至运载机器人，运载机器人依据运输任务指令按照楼栋地标引导，前行至起点，并获取起点处的地标信息，同时将所获取的地标信息发送至远程控制中心；

步骤3：当运载机器人达到运输起点，通过远程控制中心启动对应无人机携带与运输任务对应的运输区间的地标到达运输起点，并调整飞行高度，使得无人机携带的地标与地面之间的距离和楼栋上的地标与地面的距离相同；

判断运载机器人是否达到运输起点所在的楼栋大门，若到达，则将运载机器人识别的运输起点处的地标信息发送至远程控制中心，启动与运输任务所在运输区域对应的无人机，并使得无人机吸取运输任务所在运输区域起点和终点对应的地标；

步骤4：运载机器人利用自带的Kinect传感器识别出空中是否存在无人机达到运输起点区域，若存在，则启动运载机器人上的定位传感器识别无人机携带的地标，并判断是否为与运输任务匹配的无人机，若是，则启动无线通讯模块，使得无人机与运载机器人进行通信，否则继续等待与之匹配的无人机达到运输起点区域；

步骤5：无人机依据运输任务为运载机器人进行导航，运载机器人通过定位传感器实时识别无人机上携带的地标，跟随无人机前行，直到运载机器人到达运输任务终点；

在前行过程中，无人机在运载机器人前方和上方的距离分别为1.5-2m和3-4m；

步骤6：利用运载机器人的定位传感器识别到运输终点处的楼栋上的地标时，停止前行，并通过无线通讯模块给无人机发送离开指令，完成运输任务。

进一步地，当无人机与运载机器人的通信空间中出现障碍物，运载机器人无法识别无人机携带的地标时，运载机器人停止运动，同时通过无线通讯模块，给无人机发送停止飞行的指令；

利用运载机器人自带的Kinect传感器测量障碍物的轮廓，获得障碍物在运载机器人视野中的最大障碍角a，并将最大障碍角a发送至无人机，无人机进行旋转，旋转角度为a；

利用运载机器人上的定位传感器重新识别出无人机上携带的地标后，运载机器人与无人机重新进行通信，并继续跟随无人机前行；

所述最大阻碍角是以运载机器人质心为始点，以质心到Kinect传感器测得障碍物的轮廓的连线作为最大阻碍角的两条边。

进一步地，所述定位传感器通过分析红外摄像头拍下红外线照射过的涂有荧光粉的地标形状来识别不同地标；

所述定位传感器包括红外投影仪、红外摄像机、存储单元以及车载处理器；

所述地标为无源地标，由不同圆圈的组合而成，按照需要在上面涂上荧光粉；定位传感器上的红外摄像头采集红外线照射过的涂有荧光粉的地标，车载处理器对拍摄到的地标图像进行图像识别。

不同的地标在形成的红外图像形状不同；

进一步地，当位于运输起点的运载机器人利用自带的Kinect传感器识别出空中是否存在无人机达到运输起点区域时，若运输区域光强不够，则运载机器人开启LED补光灯。

一种基于无人机的运载机器人户外环境智能运输控制系统，包括运载机器人、无人机及远程控制单元；

所述运载机器人利用自带的Kinect传感器识别位于空中的无人机，利用自带的定位传感器识别无人机是否为与运输任务匹配的无人机；

通过远程控制单元将运输任务依次发送至运载机器人和无人机；

所述无人机上设置有电磁吸引装置，用于吸取设定地标；

当运载机器人达到运输起点，通过远程控制中心启动对应无人机携带与运输任务对应的运输区间的地标到达运输起点，并调整飞行高度，使得无人机携带的地标与地面之间的距离和楼栋上的地标与地面的距离相同；

位于运输起点的运载机器人利用自带的Kinect传感器识别出空中存在无人机达到运输起点区域时，启动运载机器人上的定位传感器识别无人机携带的地标，判断是否为与运输任务匹配的无人机，若是，则启动无线通讯模块，使得无人机与运载机器人进行通信；

无人机依据运输任务为运载机器人进行导航，运载机器人通过定位传感器实时识别无人机上携带的地标，跟随无人机前行，直到运载机器人到达运输任务终点。

进一步地，所述无人机包括设置在飞行装置上的第一LED补光灯、第一无线通讯模块、惯性装置、GPS模块、电池模块和电磁吸引装置；

所述第一LED补光灯用于光线较暗或夜间条件下摄像头的补光作业；

所述GPS模块用于记录自身的GPS位置信息；

所述第一无线通讯模块用于与远程控制单元以及运载机器人之间的数据通信；

所述电磁吸引装置用于吸取金属地标。

进一步地，所述运载机器人设置在机器人本体上的包括Kinect传感器、第二LED补光灯、第二无线通讯模块、电池模块及定位传感器；

所述Kinect传感器通过融合图像深度信息，用于线路障碍物和无人机图像资料采集；

所述第二LED补光灯用于光线较暗或夜间条件下摄像头的补光作业；

所述第二无线通讯模块用于运载机器人与远程控制单元以及无人机之间的数据通信。

有益效果

本发明提供了一种智能室外环境的车辆及机器人运载导航方法及系统，通过改变运载机器人导航形式，利用无人机的导航准确的特点，提高了运输效率和准确度；

其优点如下：

1.适用性强，将室内环境下运载机器人的地标导航方式延伸到基于无人机携带地标的户外导航方式；

2.灵活性高，充分利用了无人机机动性好的特点，能够根据环境随时调整方位；

3.适用范围广，无人机作为单独的导航模块，对于绝大多数的运载机器人都适用，无需进行改装，地标的可拆卸性，能将无人机用于多种运输任务中；

4.安全性好，对于一些突发状况，基于无线通讯模块，运载机器人可以对于无人机发送紧急应对指令。

附图说明

图1为运载机器人与无人机相对位置示意图；

图2为运载机器人跨楼栋出现障碍物应对示意图；

图3为运载机器人跨楼栋运行流程图；

图4运载机器人跨楼栋系统构架图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图3和图4所示，一种智能室外环境的车辆及机器人运载导航方法，包括以下步骤：

步骤1：依据跨楼栋运输任务将户外环境空间划分成对应的跨楼栋运输区域，每个跨楼栋运输区域配备有对应的无人机，并对无人机以运输任务的起点和终点进行命名；

步骤2：运载机器人接收运输任务信号，根据地标引导前行至运输起点所在的楼栋大门；

步骤3：当运载机器人达到运输起点，通过远程控制中心启动对应无人机携带与运输任务对应的运输区间的地标到达运输起点，并调整飞行高度，使得无人机携带的地标与地面之间的距离和楼栋上的地标与地面的距离相同；

步骤4：运载机器人利用自带的Kinect传感器识别出空中是否存在无人机达到运输起点区域，若存在，则启动运载机器人上的定位传感器识别无人机携带的地标，并判断是否为与运输任务匹配的无人机，若是，则启动无线通讯模块，使得无人机与运载机器人进行通信，否则继续等待与之匹配的无人机达到运输起点区域；

步骤5：无人机依据运输任务为运载机器人进行导航，运载机器人通过定位传感器实时识别无人机上携带的地标，跟随无人机前行，直到运载机器人到达运输任务终点；

在前行过程中，无人机在运载机器人前方和上方的距离分别为1.5-2m和3-4m；

步骤6：利用运载机器人的定位传感器识别到运输终点处的楼栋上的地标时，停止前行，并通过无线通讯模块给无人机发送离开指令，完成运输任务。

当位于运输起点的运载机器人利用自带的Kinect传感器识别出空中是否存在无人机达到运输起点区域时，若运输区域光强不够，则运载机器人开启LED补光灯。

定位传感器通过分析红外摄像头拍下红外线照射过的涂有荧光粉的地标形状来识别不同地标；

所述定位传感器包括红外投影仪、红外摄像机、存储单元以及车载处理器；

所述地标为无源地标，由不同圆圈的组合而成，按照需要在上面涂上荧光粉；定位传感器上的红外摄像头采集红外线照射过的涂有荧光粉的地标，车载处理器对拍摄到的地标图像进行图像识别。

如图1所示，无人机依据运输任务为运载机器人进行导航，运载机器人通过定位传感器实时识别无人机上携带的地标，跟随无人机前行，直到运载机器人到达运输任务终点；

其中无人机的导航速度为v₁，运载机器人的跟踪速度为v₂，D₁为无人机达到运输任务起始点时与运载机器人质心间的水平的距离，H为起始楼栋地标到机器人质心位置的高度；

在前行过程中，无人机在运载机器人前方和上方的距离分别为1.5-2m和3-4m；

其中，tanθ＝(v₁-v₂)×t+D₁/H、1.5≤D₁≤2；

如图2所示，当无人机与运载机器人的通信空间中出现障碍物，运载机器人无法识别无人机携带的地标时，运载机器人停止运动，同时通过无线通讯模块，给无人机发送停止飞行的指令；

利用运载机器人自带的Kinect传感器测量障碍物的轮廓，获得障碍物在运载机器人视野中的最大障碍角a，并将最大障碍角a发送至无人机，无人机进行旋转，旋转角度为a；

利用运载机器人上的定位传感器重新识别出无人机上携带的地标后，运载机器人与无人机重新进行通信，并继续跟随无人机前行；

所述最大阻碍角是以运载机器人质心为始点，以质心到Kinect传感器测得障碍物的轮廓的连线作为最大阻碍角的两条边。

一种智能室外环境的车辆及机器人运载导航系统，包括运载机器人、无人机及远程控制单元；

所述运载机器人利用自带的Kinect传感器识别位于空中的无人机，利用自带的定位传感器识别无人机是否为与运输任务匹配的无人机；

通过远程控制单元将运输任务依次发送至运载机器人和无人机；

所述无人机上设置有电磁吸引装置，用于吸取设定地标；

当运载机器人达到运输起点，通过远程控制中心启动对应无人机携带与运输任务对应的运输区间的地标到达运输起点，并调整飞行高度，使得无人机携带的地标与地面之间的距离和楼栋上的地标与地面的距离相同；

位于运输起点的运载机器人利用自带的Kinect传感器识别出空中存在无人机达到运输起点区域时，启动运载机器人上的定位传感器识别无人机携带的地标，判断是否为与运输任务匹配的无人机，若是，则启动无线通讯模块，使得无人机与运载机器人进行通信；

无人机依据运输任务为运载机器人进行导航，运载机器人通过定位传感器实时识别无人机上携带的地标，跟随无人机前行，直到运载机器人到达运输任务终点。

无人机包括设置在飞行装置上的第一LED补光灯、第一无线通讯模块、惯性装置、GPS模块、电池模块和电磁吸引装置；

所述第一LED补光灯用于光线较暗或夜间条件下摄像头的补光作业；

所述GPS模块用于记录自身的GPS位置信息；

所述第一无线通讯模块用于与远程控制单元以及运载机器人之间的数据通信；

所述电磁吸引装置用于吸取金属地标。

运载机器人设置在机器人本体上的包括Kinect传感器、第二LED补光灯、第二无线通讯模块、电池模块及定位传感器；

所述Kinect传感器通过融合图像深度信息，用于线路障碍物和无人机图像资料采集；

所述第二LED补光灯用于光线较暗或夜间条件下摄像头的补光作业；

所述第二无线通讯模块用于运载机器人与远程控制单元以及无人机之间的数据通信。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种智能室外环境的车辆及机器人运载导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：依据跨楼栋运输任务将户外环境空间划分成对应的跨楼栋运输区域，每个跨楼栋运输区域配备有对应的无人机，并对无人机以运输任务的起点和终点进行命名；

步骤2：运载机器人接收运输任务信号，根据地标引导前行至运输起点所在的楼栋大门；

步骤3：当运载机器人达到运输起点，通过远程控制中心启动对应无人机携带与运输任务对应的运输区间的地标到达运输起点，并调整飞行高度，使得无人机携带的地标与地面之间的距离和楼栋上的地标与地面的距离相同；

步骤4：运载机器人利用自带的Kinect传感器识别出空中是否存在无人机达到运输起点区域，若存在，则启动运载机器人上的定位传感器识别无人机携带的地标，并判断是否为与运输任务匹配的无人机，若是，则启动无线通讯模块，使得无人机与运载机器人进行通信，否则继续等待与之匹配的无人机达到运输起点区域；

步骤5：无人机依据运输任务为运载机器人进行导航，运载机器人通过定位传感器实时识别无人机上携带的地标，跟随无人机前行，直到运载机器人到达运输任务终点；

在前行过程中，无人机在运载机器人前方和上方的距离分别为1.5-2m和3-4m；

步骤6：利用运载机器人的定位传感器识别到运输终点处的楼栋上的地标时，停止前行，并通过无线通讯模块给无人机发送离开指令，完成运输任务。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当无人机与运载机器人的中间出现障碍物，运载机器人无法识别无人机携带的地标时，运载机器人停止运动，同时通过无线通讯模块，给无人机发送停止飞行的指令；

利用运载机器人自带的Kinect传感器测量障碍物的轮廓，获得障碍物在运载机器人视野中的最大障碍角a，并将最大障碍角a发送至无人机，无人机进行旋转，旋转角度为a；

利用运载机器人上的定位传感器重新识别出无人机上携带的地标后，运载机器人与无人机重新进行通信，并继续跟随无人机前行；

所述最大阻碍角是以运载机器人质心为始点，以质心到Kinect传感器测得障碍物的轮廓的连线作为最大阻碍角的两条边。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述定位传感器通过分析红外摄像头拍下红外线照射过的涂有荧光粉的地标形状来识别不同地标；

所述定位传感器包括红外投影仪、红外摄像机、存储单元以及车载处理器；

所述地标为无源地标，由不同圆圈的组合而成，按照需要在上面涂上荧光粉；定位传感器上的红外摄像头采集红外线照射过的涂有荧光粉的地标，车载处理器对拍摄到的地标图像进行图像识别。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当位于运输起点的运载机器人利用自带的Kinect传感器识别出空中是否存在无人机达到运输起点区域时，若运输区域光强不够，则运载机器人开启LED补光灯。

5.一种智能室外环境的车辆及机器人运载导航系统，其特征在于，包括运载机器人、无人机及远程控制单元；

所述运载机器人利用自带的Kinect传感器识别位于空中的无人机，利用自带的定位传感器识别无人机是否为与运输任务匹配的无人机；

通过远程控制单元将运输任务依次发送至运载机器人和无人机；

所述无人机上设置有电磁吸引装置，用于吸取设定地标；

当运载机器人达到运输起点，通过远程控制中心启动对应无人机携带与运输任务对应的运输区间的地标到达运输起点，并调整飞行高度，使得无人机携带的地标与地面之间的距离和楼栋上的地标与地面的距离相同；

位于运输起点的运载机器人利用自带的Kinect传感器识别出空中存在无人机达到运输起点区域时，启动运载机器人上的定位传感器识别无人机携带的地标，判断是否为与运输任务匹配的无人机，若是，则启动无线通讯模块，使得无人机与运载机器人进行通信；

无人机依据运输任务为运载机器人进行导航，运载机器人通过定位传感器实时识别无人机上携带的地标，跟随无人机前行，直到运载机器人到达运输任务终点。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述无人机包括设置在飞行装置上的第一LED补光灯、第一无线通讯模块、惯性装置、GPS模块、电池模块和电磁吸引装置；

所述第一LED补光灯用于光线较暗或夜间条件下摄像头的补光作业；

所述GPS模块用于记录自身的GPS位置信息；

所述第一无线通讯模块用于与远程控制单元以及运载机器人之间的数据通信；

所述电磁吸引装置用于吸取金属地标。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述运载机器人包括设置在机器人本体上的Kinect传感器、第二LED补光灯、第二无线通讯模块、电池模块及定位传感器；

所述Kinect传感器通过融合图像深度信息，用于线路障碍物和无人机图像资料采集；

所述第二LED补光灯用于光线较暗或夜间条件下摄像头的补光作业；

所述第二无线通讯模块用于运载机器人与远程控制单元以及无人机之间的数据通信。