CN107479554B - 机器人系统及其户外建图导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人系统及其户外建图导航方法，机器人系统包括移动机器人、无人机系统以及控制中心，所述移动机器人与无人机系统均与所述控制中心有线或无线连接，所述无人机系统可在所述移动机器人上停靠，所述无人机系统包括无人机本体、无人机定位模块以及视觉元件，所述移动机器人包括移动平台、机器人定位模块以及探测单元。无人机系统采集的RGB图像数据用于辅助构建地图，控制中心根据地图结合移动机器人探测单元探测的环境信息进行自主避障导航；基于本发明机器人系统的户外建图导航方法可实现机器人的自动导航，算法简单，建图较为精确。

Description

机器人系统及其户外建图导航方法

技术领域

本发明涉及智能机器人领域，特别是涉及一种机器人系统及其户外建图导航方法。

背景技术

当前智能机器人领域蓬勃发展，各种用途的智能机器人层出不穷，机器人自动建图导航技术是机器人领域的核心技术，目前的主流解决方案是依靠激光雷达、景深相机、超声波探测器等传感器进行环境探测与导航，每种传感器均有其优缺点，因此大部分需要多种传感器组合使用，成本很高且一般只适合室内使用，当使用范围拓展到户外，由于户外环境特征比户内复杂得多，其建图的难度与成本与室内导航相比不在一个数量级，包括目前很多主流汽车厂商的无人车项目也在此技术上卡壳，要找到技术与成本的平衡点及其重要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种通过无人机系统辅助移动机器人建图的机器人系统及其户外建图导航方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的机器人系统，包括移动机器人、无人机系统以及控制中心，所述移动机器人与无人机系统均可与所述控制中心通讯，所述无人机系统可在所述移动机器人上停靠，所述无人机系统包括无人机本体、无人机定位模块以及视觉元件，所述移动机器人包括移动平台、机器人定位模块以及探测单元。

进一步地，所述移动机器人上设置有用于与无人机系统进行对接的对接单元，移动机器人与无人机系统之间设有用于辅助微调相对位置的辅助对接系统；辅助对接系统包括由分散设置的多个独立的分散单元组成的分散单元组以及可与每个分散单元进行单独互动的独立单元，所述分散单元组与独立单元两者中其中之一安装在移动机器人上，另一个安装在无人机系统上。

进一步地，所述移动机器人上设置有一个或多个标记点。

进一步地，所述独立单元即为所述视觉元件，所述分散单元为二维码。

进一步地，所述独立单元与分散单元两者中其中之一为信号发射器，另一个为信号接收器。

进一步地，所述信号发射器为红外灯，所述信号接收器为红外线感光元件。

基于上述机器人系统的户外建图导航方法，其建图导航方法包括以下步骤：

步骤一：控制中心控制无人机系统脱离所述移动机器人，无人机系统的视觉元件在空中对地面的环境进行RGB图像数据采集；当无人机系统完成采集任务或电量降低至某一阈值，控制中心控制无人机系统降落并与所述移动机器人对接；

步骤二：无人机系统将采集的RGB图像数据传回至所述控制中心，所述控制中心对RGB图像数据进行特征提取、识别并进行地图构建；

步骤三：控制中心根据更新后的地图结合移动机器人探测单元探测的环境信息进行自主避障导航。

进一步地，步骤一中控制中心控制无人机系统降落并与所述移动机器人对接的步骤包括：

1）控制中心根据移动机器人与无人机系统的位置信息控制两者产生相对运动使无人机系统处于所述移动机器人的上空；

2）无人机系统降落至一定高度，并在所述移动机器人的上方的一定范围内随机路径规划飞行；

3）当某个分散单元与所述独立单元产生互动，则可初步确定无人机系统与移动机器人之间的相对位置信息，控制中心根据相对位置信息进行位置补偿，并根据位置补偿过程中分散单元与独立单元之间的互动不断确定两者的相对位置，直至无人机系统与移动机器人处于可对接的相对位置状态；

4）移动机器人的对接单元与所述无人机系统进行对接。

进一步地，步骤二的具体步骤包括：

步骤2.1：所述控制中心通过ORB视觉算法，提取出所述视觉元件获取的RGB图像数据的ORB特征；

步骤2.2：将刚获取的RGB图像数据的ORB特征与控制中心数据库中已经获取的RGB图像数据的ORB特征进行对比，若相似度超过一定阈值则放弃该ORB特征数据，若相似度未达到一定阈值，则控制中心根据该RGB图像数据的ORB特征补充构建地图。

进一步地，步骤三的具体步骤包括：

步骤3.1：控制中心根据更新后的地图规划移动机器人的行走路线；

步骤3.2：移动机器人根据控制中心规划的行走路线运行，同时其自带的探测单元对其四周环境进行探测，若遇到障碍物，则使用bug算法绕过障碍物然后继续按控制中心规划的行走路线运行。

有益效果：本发明的机器人系统包括具有视觉元件的无人机系统以及包含探测单元的移动机器人，无人机系统采集的RGB图像数据用于辅助构建地图，控制中心根据地图结合移动机器人探测单元探测的环境信息进行自主避障导航；基于本发明机器人系统的户外建图导航方法可实现机器人的自动导航，算法简单，建图较为精确。

附图说明

附图1为机器人系统的组成图；

附图2为对接单元的第一种实施方式的结构图；

附图3为对接单元的第一种实施方式的剖视图；

附图4为对接单元的第一种实施方式的局部放大图；

附图5为对接单元的第二种实施方式的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1所示的机器人系统，包括移动机器人2、无人机系统1以及控制中心3，所述移动机器人2与无人机系统1均与所述控制中心3有线或无线连接进行通讯，所述无人机系统1可在所述移动机器人2上停靠，移动机器人2可为无人机系统1充电，两者也可以对接数据，所述无人机系统1包括无人机本体11、无人机定位模块以及视觉元件12，所述移动机器人2包括移动平台21、机器人定位模块以及探测单元。控制中心3可以是独立固定的控制中心3，也可以安装在移动机器人2上随移动机器人2移动。上述的无人机定位模块与机器人定位模块优选均为GPS定位模块或北斗定位模块。此处视觉元件12可以是相机或者其他视觉传感器。

移动机器人2与无人机系统1之间设有用于与无人机系统1进行对接的对接单元4以及用于辅助微调相对位置的辅助对接系统5；辅助对接系统5包括由分散设置的多个独立的分散单元51组成的分散单元51组以及可与每个分散单元51进行单独互动的独立单元52，所述分散单元51组与独立单元52两者中其中之一安装在移动机器人2上，另一个安装在无人机系统1上。需要说明的是，此处分散单元51与独立单元52之间的互动可以是信号的互动（分散单元51与独立单元52中其中一者发送信号，另一者接收信号），也可以是视觉上的互动（分散单元51与独立单元52中其中一者包含视觉上可识别的信息，另一者可读取并判断该信息）。无人机系统1上上安装有第一接口41-2，移动机器人2上安装有第二接口42-2，第一接口41-2与第二接口42-2可相互对接实现电气连通。

具体地，所述分散单元51呈矩形阵列分布或者圆周阵列分布在多个同心圆上，本实施例中采用后者的分布方式，当分散单元51组安装在无人机系统1上时，分散单元51安装在无人机本体11的机体部分以及翼臂上，每个翼臂的长度方向上均直线阵列排布有相等数量的分散单元51；第一接口位于同心圆的圆心位置。当分散单元51组安装在移动机器人2上时，第二接口位于同心圆的圆心位置。

在第一种实施例中，所述独立单元52为视觉元件12，所述分散单元51为二维码，每个二维码均具有唯一性。这里的视觉元件12是指相机或者其他视觉传感器，视觉元件12可读取二维码信息并通过控制中心3进行解码，控制中心3可根据其读取到的二维码信息确定无人机系统1与移动机器人2的相对位置，并控制无人机系统1进行位置补偿，为了使无人机系统1最终较为准确地找到移动机器人2上第二接口的中心，移动机器人2上设置有用于视觉元件12捕捉的对心标记，所述对心标记可以为方便视觉元件12捕捉的十字图形标记或星形图形标记。

在第二种实施例中，所述分散单元51与独立单元52两者中其中之一为信号发射器，另一个为信号接收器。此处的信号发射器为红外灯，信号接收器为红外线感光元件。本实施例中，分散单元51为信号接收器，独立单元52为信号发射器，且分散单元51组安装在移动机器人2上，独立单元52安装在无人机系统1上。

在无人机系统1在鸟瞰方向上采集图像数据时，为了精确地表示移动机器人2在无人机系统1采集的图像中的具体位置，所述移动机器人2上设置有一个或多个标记点，优先地移动机器人2上设有多个标记点，在控制中心3对无人机系统1获取的图像数据进行特征提取时，通过获取标记点在图像中的位置信息，可准确获取移动机器人2的位置信息与位姿信息，方便控制中心3对当前构建的地图进行更新修正，避免了移动机器人2系统的实际位置与控制中心3中显示的移动机器人2的当前位置出入过大。

上述对接单元4包括可相对分合的第一对接单元41与第二对接单元42；所述第一对接单元41包括环状的对接凸缘41-1，所述第二对接单元42包括安装在移动机器人2上的基座42-1以及用于对对接凸缘41-1进行圆心定位以及轴向定位的捕捉机构，所述捕捉机构可相对于所述基座42-1升降。

所述第一对接单元41还包括第一接口41-2，所述第二对接单元42还包括第二接口42-2，为了可以是第一接口41-2可以与第二接口42-2的触点对准进行准确对接，所述捕捉机构可相对于所述基座42-1旋转，其旋转中心轴平行于其相对基座42-1的升降方向。

所述第一接口41-2与第二接口42-2之间设置有用于确定两者相对位置的定位系统。所述第一接口41-2与第二接口42-2两者中一者上设置有信号发射单元，另一者上设置有信号接收单元。优选地，此处信号发射单元为光发射器，信号接收单元为光接收器，当光发射器发出的光（可以为可见光或不可见光）被光接收器接收到时，则代表第一接口41-2与第二接口42-2之间的位置对准，处于可对接状态。

如附图2-5所示，所述捕捉机构包括捕捉支架42-3，所述捕捉支架42-3上圆周阵列设置有至少三个可沿捕捉支架42-3的径向同步平移的卡爪42-4，所述卡爪42-4包括滑动配合部42-41、沿捕捉支架42-3的轴向延伸的轴向延伸部42-42以及沿捕捉支架42-3的径向向外延伸的径向延伸部42-43；卡爪42-4的运动由驱动支架42-5驱动，具体地，对应于每一个所述卡爪42-4所述捕捉支架42-3上均设置有一个驱动连杆42-21，所述驱动连杆42-21中部铰接在所述捕捉支架42-3上，驱动连杆42-21的一端连接卡爪42-4（驱动连杆42-21的一端伸入开在卡爪42-4上的凹坑中，并可相对于凹坑有一定的相对运动），另一端连接驱动支架42-5（驱动支架42-5的外圆周上设置有环形槽，驱动支架42-5的另一端伸入在环形槽中），初始状态下，所有卡爪42-4聚拢在所述捕捉支架42-3的中部，执行捕捉动作时，所述卡爪42-4四向分散呈分散状态；所述驱动支架42-5在所述主动支架42-6的推动下在所述捕捉支架42-3的轴向升降，且驱动支架42-5与主动支架42-6之间设置有弹性元件42-7；主动支架42-6上设有用于压住所述对接凸缘41-1的压边凸缘42-61；主动支架42-6由设置在所述捕捉支架42-3上的驱动装置驱动。

作为第一种实施方式，如附图2-4所示，所述驱动装置包括安装在所述捕捉支架42-3上的丝杆42-10，所述主动支架42-6上设有与所述丝杆42-10配合使用的螺纹，所述丝杆42-10由第一电机42-11驱动转动。具体地，所述丝杆42-10上固定有第一齿轮42-12，所述第一电机42-11的输出轴上设置有与所述第一齿轮42-12啮合的第二齿轮42-13。

作为第二种实施方式，如附图5所示，所述驱动装置包括设置在所述捕捉支架42-3上的电磁铁42-8，所述主动支架42-6上设置有衔铁42-9。

所述捕捉机构整体安装在升降支架42-14上，所述捕捉支架42-3可相对于所述升降支架42-14旋转，所述升降支架42-14可相对于所述基座42-1升降。

所述捕捉支架42-3上固定有第三齿轮42-15，所述升降支架42-14上安装有第二电机42-16，所述第二电机42-16的输出轴上安装有与所述第三齿轮42-15啮合的第四齿轮42-17。

所述基座42-1上设置有第二丝杆218以及用于驱动第二丝杆218的第三电机42-19，所述升降支架42-14上设置有与第二丝杆218配合使用的丝杆螺母42-20。

其对接原理如下：第三电机42-19驱动升降支架42-14运动使捕捉机构的卡爪42-4伸入对接凸缘41-1中，捕捉机构的卡爪42-4在驱动支架42-5的驱动下向外分散抵住对接凸缘41-1的内圈，这样可以起到圆心定位的作用，完成对接凸缘41-1的圆心定位后，驱动支架42-5无法继续运动，由于主动支架42-6与驱动支架42-5之间设置有弹性元件42-7，因此主动支架42-6不受限制可继续向靠近捕捉支架42-3的方向运动，直至主动支架42-6的压边凸缘42-61抵住对接凸缘41-1并推动其轴向运动使对接凸缘41-1抵住卡爪42-4的径向延伸部42-43无法移动为止，此时压边凸缘42-61以及卡爪42-4上的径向延伸部42-43分别压住对接凸缘41-1的两侧，完成了对接凸缘41-1的轴向定位。完成定位后，第二电机42-16带动捕捉机构整体旋转使第一接口41-2与第二接口42-2的触点对准，然后，第三电机42-19驱动升降支架42-14运动，使第一接口41-2与第二接口42-2对接，完成电气对接。

基于上述机器人系统的户外建图导航方法，其建图导航方法包括以下步骤：

步骤一：控制中心3控制无人机系统1脱离所述移动机器人2，无人机系统1的视觉元件12在空中对地面的环境进行RGB图像数据采集；当无人机系统1完成采集任务或电量降低至某一阈值，控制中心3控制无人机系统1降落并与所述移动机器人2对接；

步骤二：无人机系统1将采集的RGB图像数据传回至所述控制中心3，所述控制中心3对RGB图像数据进行特征提取、识别并进行地图构建；

步骤三：控制中心3根据更新后的地图结合移动机器人2探测单元探测的环境信息进行自主避障导航。

步骤一中控制中心3控制无人机系统1降落并与所述移动机器人2对接的步骤包括：

1）控制中心3根据移动机器人2与无人机系统1的位置信息控制两者产生相对运动使无人机系统1处于所述移动机器人2的上空；

2）无人机系统1降落至一定高度，并在所述移动机器人2的上方的一定范围内随机路径规划飞行；

3）当某个分散单元51与所述独立单元52产生互动，则可初步确定无人机系统1与移动机器人2之间的相对位置信息，控制中心3根据相对位置信息进行位置补偿，并根据位置补偿过程中分散单元51与独立单元52之间的互动不断确定两者的相对位置，直至无人机系统1与移动机器人2处于可对接的相对位置状态；

4）移动机器人2的对接单元与所述无人机系统1进行对接。

步骤二的具体步骤包括：

步骤2.1：所述控制中心3通过ORB视觉算法，提取出所述视觉元件12获取的RGB图像数据的ORB特征；

步骤2.2：将刚获取的RGB图像数据的ORB特征与控制中心3数据库中已经获取的RGB图像数据的ORB特征进行对比，若相似度超过一定阈值则放弃该ORB特征数据，若相似度未达到一定阈值，则控制中心3根据该RGB图像数据的ORB特征补充构建地图。

进一步地，步骤三的具体步骤包括：

步骤3.1：控制中心3根据更新后的地图规划移动机器人2的行走路线；

步骤3.2：移动机器人2根据控制中心3规划的行走路线运行，同时其自带的探测单元对其四周环境进行探测，若遇到障碍物，则使用bug算法绕过障碍物然后继续按控制中心3规划的行走路线运行。

在地图构建完成后或在地图构建过程中移动机器人2经过相同路段时，控制中心3根据无人机系统1采集的图像数据启动纠偏过程，具体如下，控制中心3根据无人机系统1采集的图像数据进行特征提取，并与控制中心3所构建的地图的特征进行比对确定无人机系统1所采集的图像具体对应在地图中的位置，同时控制中心3提取图像中移动机器人2上的标记点信息，确定移动机器人2在地图上的具体位置与位姿，并据此更新地图中移动机器人2当前的位置与位姿，并以此为起点继续进行路径规划与自主导航。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.机器人系统，其特征在于：包括移动机器人、无人机系统以及控制中心，所述移动机器人与无人机系统均可与所述控制中心通讯，所述无人机系统可在所述移动机器人上停靠，所述无人机系统包括无人机本体、无人机定位模块以及视觉元件，所述移动机器人包括移动平台、机器人定位模块以及探测单元；所述移动机器人上设置有用于与无人机系统进行对接的对接单元，移动机器人与无人机系统之间设有用于辅助微调两者的相对位置的辅助对接系统；辅助对接系统包括由分散设置的多个独立的分散单元组成的分散单元组以及可与每个分散单元进行单独互动的独立单元，所述分散单元组与独立单元两者中其中之一安装在移动机器人上，另一个安装在无人机系统上；所述对接单元包括可相对分合的第一对接单元与第二对接单元；所述第一对接单元包括环状的对接凸缘，所述第二对接单元包括安装在移动机器人上的基座以及用于对对接凸缘进行圆心定位以及轴向定位的捕捉机构，所述捕捉机构可相对于所述基座升降；所述第一对接单元还包括第一接口，所述第二对接单元还包括第二接口；所述捕捉机构可相对于所述基座旋转，其旋转中心轴平行于其相对基座的升降方向；所述捕捉机构包括捕捉支架，所述捕捉支架上圆周阵列设置有至少三个可沿捕捉支架的径向同步平移的卡爪，所述卡爪包括滑动配合部、沿捕捉支架的轴向延伸的轴向延伸部以及沿捕捉支架的径向向外延伸的径向延伸部；卡爪的运动由驱动支架驱动；对应于每一个所述卡爪所述捕捉支架上均设置有一个驱动连杆，所述驱动连杆中部铰接在所述捕捉支架上，驱动连杆的一端连接卡爪，另一端连接驱动支架，初始状态下，所有卡爪聚拢在所述捕捉支架的中部，执行捕捉动作时，所述卡爪四向分散呈分散状态；所述驱动支架在主动支架的推动下在所述捕捉支架的轴向升降，且驱动支架与主动支架之间设置有弹性元件；主动支架上设有用于压住所述对接凸缘的压边凸缘；主动支架由设置在所述捕捉支架上的驱动装置驱动。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于：所述移动机器人上设置有一个或多个标记点。

3.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于：所述独立单元即为所述视觉元件，所述分散单元为二维码。

4.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于：所述独立单元与分散单元两者中其中之一为信号发射器，另一个为信号接收器。

5.根据权利要求4所述的机器人系统，其特征在于：所述信号发射器为红外灯，所述信号接收器为红外线感光元件。

6.基于权利要求1所述机器人系统的户外建图导航方法，其特征在于：其建图导航方法包括以下步骤：步骤一：控制中心控制无人机系统脱离所述移动机器人，无人机系统的视觉元件在空中对地面的环境进行RGB图像数据采集；当无人机系统完成采集任务或电量降低至某一阈值，控制中心控制无人机系统降落并与所述移动机器人对接；步骤二：无人机系统将采集的RGB图像数据传回至所述控制中心，所述控制中心对RGB图像数据进行特征提取、识别并进行地图构建；步骤三：控制中心根据更新后的地图结合移动机器人探测单元探测的环境信息进行自主避障导航。

7.根据权利要求6所述的机器人系统的户外建图导航方法，其特征在于：步骤一中控制中心控制无人机系统降落并与所述移动机器人对接的步骤包括：1）控制中心根据移动机器人与无人机系统的位置信息控制两者产生相对运动使无人机系统处于所述移动机器人的上空；2）无人机系统降落至一定高度，并在所述移动机器人的上方的一定范围内随机路径规划飞行；3）当某个分散单元与所述独立单元产生互动，则可初步确定无人机系统与移动机器人之间的相对位置信息，控制中心根据相对位置信息进行位置补偿，并根据位置补偿过程中分散单元与独立单元之间的互动不断确定两者的相对位置，直至无人机系统与移动机器人处于可对接的相对位置状态；4）移动机器人的对接单元与所述无人机系统进行对接。

8.根据权利要求6所述的机器人系统的户外建图导航方法，其特征在于：步骤二的具体步骤包括：步骤2.1：所述控制中心通过ORB视觉算法，提取出所述视觉元件获取的RGB图像数据的ORB特征；步骤2.2：将刚获取的RGB图像数据的ORB特征与控制中心数据库中已经获取的RGB图像数据的ORB特征进行对比，若相似度超过一定阈值则放弃该ORB特征数据，若相似度未达到一定阈值，则控制中心根据该RGB图像数据的ORB特征补充构建地图。

9.根据权利要求6所述的机器人系统的户外建图导航方法，其特征在于：步骤三的具体步骤包括：步骤3.1：控制中心根据更新后的地图规划移动机器人的行走路线；步骤3.2：移动机器人根据控制中心规划的行走路线运行，同时其自带的探测单元对其四周环境进行探测，若遇到障碍物，则使用bug算法绕过障碍物然后继续按控制中心规划的行走路线运行。

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