CN107544501A - 一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法，包括主控系统、摄像装置、激光雷达装置、里程计、电子罗盘、数据通讯装置和电机控制装置、主程序模块、导航模块、数据通讯模块、地图创建模块、定位模块、环境感知模块和行为决策模块。本发明具有地图构建、自主定位、路径规划、动态避障和运动控制功能，能够根据数据通讯指令、智能机器人的位姿、创建的地图和环境感知信息做出正确的路径规划和动态避障操作，实现自主导航。
Description
技术领域
本发明涉及人工智能领域，特别是一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法。
背景技术
目前，智慧行走控制系统及其方法主要涉及到地图构建、定位、避障、智能语音识别、图像识别及处理、路径规划和运动控制等人工智能技术领域，是智能机器人的一项核心技术，也是关键技术之一。智能机器人越来越普及，大多数的智能机器人是通过传感器进行避障、磁性导航、惯性导航、声音导航和神经网络导航等技术实现的，都不能根据实际环境自主规划路径，导致智能机器人行走的重复区域性大、成本高、效率较低。因此智能机器人的自主导航存在三个问题，一是智能机器人的定位问题，二是目标识别与跟踪问题，三是路径规划问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种智能机器人控制系统及其方法，能够实现智能机器人的目标识别与跟踪、定位和路径规划。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种智能机器人智慧行走控制系统，其特征在于：包括主控系统、用于摄取周围环境图像信息的摄像装置、用于精确测量障碍物的激光雷达装置、用于检测智能机器人位姿的电子罗盘、数据通讯装置和电机控制装置、主程序模块、导航模块、数据通讯模块、用于创建地图信息的地图创建模块、用于确定机器人位姿的定位模块、用于实时采集周围环境信息的环境感知模块和用于控制机器人运动的行为决策模块；所述主控系统分别与摄像装置、激光雷达装置、电子罗盘、数据通讯装置和电机控制装置连接，所述主程序模块分别与导航模块、数据通讯模块、环境感知模块和行为决策模块连接，所述导航模块还分别连接至地图创建模块和定位模块。能够实现地图构建、自主定位、路径规划、动态避障和运动控制等功能。
进一步地，所述激光雷达装置包括用于发射探测信号的发射装置和用于接收探测反射信号的接收装置，所述发射装置和接收装置分别连接至主控系统。所述主控系统会根据发射的探测信号和接收的探测反射信号进行比较，能够精确获取到障碍物的相关信息，如障碍物的方位、距离、高度和形状等信息，并创建度量地图。
进一步地，所述数据通讯装置包括无线通讯装置，所述无线通讯装置连接至主控系统。无线通讯装置能够通过无线方式，采集到外界的通讯控制信号，并发送至主控系统，所述主控系统能够根据接收到的通讯控制信号来控制智能机器人的自主导航行驶。
进一步地，所述数据通讯装置包括有线通讯装置，所述有线通讯装置连接至主控系统。有线通讯装置能够通过有线方式，采集到外界的通讯控制信号，并发送至主控系统，所述主控系统能够根据接收到的通讯控制信号来控制智能机器人的自主导航行驶。
进一步地，所述电机控制装置包括电机和用于驱动电机的电机驱动电路，所述电机驱动电路的输出端连接至电机，所述电机驱动电路的输入端连接至主控系统。所述主控系统会输出电机控制信号至电机控制装置中的电机驱动电路，所述电机驱动电路会根据接收到的电机控制信号响应输出电机驱动信号至电机，促使电机转动动作，所述电机转动进而实现智能机器人的行驶功能。
进一步地，还包括用于测量行程的里程计，所述里程计连接至主控系统。在行驶过程中，所述里程计会采集到智能机器人的行程信息，并发送存储至主控系统。
进一步地，所述数据通讯模块包括无线通讯模块，所述无线通讯模块和主程序模块相连接。所述无线通讯模块能够通过无线方式进行数据通讯，包括人机之间的信息交互以及智能机器人之间的通讯。
进一步地，所述数据通讯模块包括有线通讯模块，所述有线通讯模块和主程序模块相连接。所述有线通讯模块能够通过有线方式进行数据通讯，包括人机之间的信息交互以及智能机器人之间的通讯。
一种应用上述智能机器人智慧行走控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取地理环境信息；
S2：创建拓扑地图和度量地图；
S3：根据周围环境信息和创建的地图进行智能机器人的全局定位，获取智能机器人的全局位姿；
S4：根据创建的先验环境地图、全局位姿和目标信息进行全局规划；
S5：根据创建的局部环境地图和全局位姿进行局部规划和动态避障规划；
S6：根据规划信息对智能机器人的行为进行决策；
S7：根据行为决策信息进行位置移动。
本发明的有益效果是：本发明采用的一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法，具有地图构建、自主定位、路径规划、动态避障和运动控制功能，能够根据地理环境信息创建拓扑地图和度量地图，并根据周围环境信息进行全局定位，并作出全局路径规划，并在移动过程中不断感知周围环境的动态信息和静态信息，作出局部路径规划和动态避障规划，自主对行为作出决策，并不断调整自身位姿，能够不断根据实际环境自主规划路径引导自身安全行驶。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的装置理框图；
图2是本发明一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的模块原理框图；
图3是本发明一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的拓扑地图描述示意图；
图4是本发明一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的视觉全局定位算法的步骤流程图；
图5是本发明一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的全局规划的步骤流程图；
图6是本发明一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的局部规划和动态避障的步骤流程图；
图7是本发明一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的智慧行走结构图；
图8是本发明一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的总体控制方法的步骤流程图。
具体实施方式
一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法，包括主控系统110、摄像装置120、激光雷达装置130、里程计170、电子罗盘140、数据通讯装置150和电机控制装置160，所述激光雷达装置130包括发射装置131和接收装置132，所述数据通讯装置150包括无线通讯装置151或者有线通讯装置152，所述电机控制装置160包括电机驱动电路161和电机162；所述主控系统110分别与摄像装置120、发射装置131、接收装置132、里程计170、电子罗盘140、无线通讯装置151和有线通讯装置152相连接，所述主控系统110、电机驱动电路161和电机162依次连接。
参照图1，本发明的一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的装置原理框图。
智能机器人在创建地图时，所述主控系统110会输出摄像控制信号至摄像装置120，所述摄像装置120中的摄像头能够根据接收到的摄像控制信号进行俯仰、摇摆、变焦和拍摄录像操作，采集周围地理环境的地理图像信息并反馈至主控系统110，所述主控系统110会对接收到的地理图像信息进行处理，并创建拓扑地图。同时，所述主控系统110还会输出激光雷达控制信号至激光雷达装置130中的发射装置131，所述发射装置131会根据接收到的激光雷达控制信号进行响应，发出探测信号(激光束)至周围环境，当探测信号照射至周围环境中的障碍物时，障碍物会对探测信号进行反射，所述激光雷达装置130中的接收装置132能够采集到障碍物反射回来的探测反射信号，并发送至主控系统110，所述主控系统110会根据发射的探测信号和接收的探测反射信号进行比较，能够精确获取到障碍物的相关信息，如障碍物的方位、距离、高度和形状等信息，并创建度量地图。
智能机器人成功创建地图后，需要对智能机器人进行位置定位，并检测智能机器人位姿的朝向。所述智能机器人位姿包括智能机器人在地图的位置和方向。由于环境图像具有丰富的环境信息，定位是指对环境路标进行特征提取和分析，进而确定机器人位姿的过程。所述摄像装置120能够根据接收到的摄像控制信号进行俯仰、摇摆、变焦和拍摄录像操作，采集周围环境的地理图像信息并反馈至主控系统110，同时，所述电子罗盘140能够采集到智能机器人的位姿朝向信息，即方向信息，并发送至主控系统110，所述主控系统110会对接收到的地理图像信息和位姿朝向信息进行分析，对地理图像信息中的路标进行特征提取和分析，进而确定机器人位姿，得到当前的拓扑位置和度量位置以及朝向。
在数据通讯方面，所述主控系统110能够通过数据通讯装置150与外界通讯端进行数据通讯，数据通讯方式有无线通讯或者有线通讯，其中无线通讯方式是主控系统110通过无线通讯装置151进行实现的，其中有线通讯方式是主控系统110通过有线通讯装置152进行实现的。数据通讯装置150能够通过无线或有线通讯方式，采集到外界通讯端(如智能终端、APP和云服务器等)的目标信息，并发送至主控系统110，所述主控系统110能够根据接收到的目标信息、地图信息和位姿数据来控制智能机器人的自主导航行驶。
智能机器人在行走方面，所述主控系统110会输出电机162控制信号至电机控制装置160中的电机驱动电路161，所述电机驱动电路161会根据接收到的电机162控制信号响应输出电机162驱动信号至电机162，促使电机162转动动作，所述电机162转动会带动智能机器人的轮子转动，进而实现智能机器人的行驶功能。在行驶过程中，所述里程计170会采集到智能机器人的行程信息，并发送存储至主控系统110。
一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法，包括主程序模块210、导航模块260、数据通讯模块220、地图创建模块250、定位模块270、环境感知模块230和行为决策模块240，所述数据通讯模块220包括无线通讯模块221或者有线通讯模块222；所述主程序模块210分别与导航模块260、无线通讯模块221、有线通讯模块222、环境感知模块230和行为决策模块240连接，所述导航模块260还分别连接至地图创建模块250和定位模块270。
参照图2，本发明一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的模块原理框图。
在地图创建方面，所述地图创建模块250能够利用摄像装置120采集到的地理图像信息以及激光雷达装置130探测到的障碍物的方位、距离、高度和形状等信息，来对地图进行创建。创建的地图包括拓扑地图和度量地图，其中，创建拓扑地图是通过摄像装置120采集到的地理图像信息，识别环境中的路标进行创建的；度量地图是根据激光雷达探测到的障碍物的方位、距离、高度和形状等信息进行创建的。
创建拓扑地图是利用与某一位置相对应的拓扑节点和代表这些位置之间连接的拓扑边所构成的拓扑图来表示。结合图3本发明一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的拓扑地图描述示意图，本发明一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的拓扑地图描述示意图；拓扑节点对应环境中的某些特定位置，并且拓扑节点与环境中的某些易于识别的自然路标相关联，所述路标作用是能够在智能机器人到达某一位置时，能够辨识自身位于拓扑地图中的哪一个拓扑节点。拓扑地图中的拓扑边表示相邻拓扑节点之间的相互关系，如相对距离、方向关系以及拓扑节点之间的连通性，因此为智能机器人在拓扑节点间的行驶提供了所需要的路径，并保证机器人能正确的在拓扑节点间行驶，使易于实现智能机器人导航过程中的路径规划。拓扑地图表述简洁且节省存储空间，而且不必像度量地图那样要求保持地图的一致性。拓扑地图能够描述了环境的结构，结合图3所示，走廊里的拓扑节点选取主要是一些特殊路标，如房门、通路等，其中通路是一种对室内环境中开放区域的一种抽象描述。在室内环境中，在相对封闭的局部空间之间必然要有可通过的路径将其相互连接，这就是通路。如室内走廊环境中打开的房门是一种最常见的通路。一般每一个房间内有一个拓扑节点，并且房间内的拓扑节点通常由容易被识别的桌子、柜子等静态自然路标组成，因此拓扑节点对应环境中的一块特定区域，并且关联环境中的一些自然路标。
创建度量地图是基于激光雷达算法进行实现的，激光雷达在360°范围内一次扫描361个障碍物距离数据，每1°对应一个数据。采用极坐标表示这些距离数据，极坐标点位于激光雷达的扫描光心，极轴则为激光雷达主扫描方向(0°)，这里采用(ρn，Φn)来表示激光雷达的一次扫描数据，其中(n＝1,2，3，…361)，ρn表示从扫描光心到第n个障碍物的距离，Φn表示从第n个障碍物扫描方向到主扫描方向(0°)的角度，n是扫描数据的个数。采用二维笛卡尔矩形栅格来表示激光雷达探测到的环境，二维数组来记录环境地图中对应栅格是否有障碍物信息。假定每个栅格只有空闲和占据两种状态，在给定各个栅格单元先验概率的条件下，实时依据激光雷达探测的信息记录给定栅格的占据情况。如果在某个栅格单元有障碍物被观测到，对应的栅格的数组值被置1。栅格大小的选取直接关系到控制算法的精度，为了同时考虑到激光雷达精度高且速度快的优点，优选地选择5cm*5cm作为一个栅格，保障了创建度量地图的高精度和实时性。
对于周围环境的信息，所述环境感知模块230能够通过摄像装置120和激光雷达装置130实时采集到环境感知信息，并发送至主程序模块210，为定位导航功能提供环境感知信息。
在定位方面，所述定位模块270能够根据已经创建的地图和接收到的周围环境感知信息来确定智能机器人的位姿，为智能机器人的行为决策提供了必要的位姿信息。定位功能是基于视觉全局定位算法而实现的，视觉全局定位算法是利用丰富的环境感知信息，对周围环境的路标进行特征提取和分析，并按特定准则确立观测特征和环境路标数据库间的对应关系，进而确定智能机器人的位姿。智能机器人能够将观测到的特征与拓扑地图中的路标进行匹配，假设获得k个匹配特征对{I(1)～L(1)…I(k)～L(k)}，由于地图库存储了路标特征每次被智能机器人观测时的位姿，因此可以获得这k个特征在ti时刻被观测到的数目ki以及对应图像坐标，假设{k1…kd}是前d个最大的，根据相对位姿估计方法，可以用每ti时刻观测到的路标特征数目ki计算出该时刻世界坐标系下可能的摄像装置120坐标系方向θi，以及旋转矩阵Ri，因此共获得d个摄像装置120方向{θ1…θd}和旋转矩阵{R1…Rd}。根据路标特征的三维坐标，及通过相对定位确定的方向角θi计算智能机器人的准确位置，根据投影方程：
其中，与分别是路标特征在当前时刻图像坐标与三维坐标的齐次形式。由于智能机器人只在x-z平面运动，所以平移矢量Ti＝[xi,0,zi]T只含有两个未知数xi与zi，则上式进行简化可得：
其中，表示内部矩阵C与旋转矩阵Ri相乘后获得的投影矩阵Mi的第l行，第k列的元素。因此ki个路标特征中的每一个都能计算出一个可能的智能机器人位姿，但是路标特征的三维坐标是通过对特征匹配对的三维重建获得的，为了获得可靠的智能机器人位姿，仍然每次从ki个路标特征中随机抽取两个路标特征，并用最小二乘法求解四个方程得到稳定解zi和xi，重复抽取H次，则得到H个可能的机器人位姿。由于每个时间步ti都可以获得H个可能位姿，则共获得多个可能位姿。因此，利用视觉全局定位算法，能够通过输入摄像装置120摄取的图像和地图路标库，就能够输出智能机器人全局位姿信息。具体步骤参照图4，本发明一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的视觉全局定位算法的步骤流程图：
步骤P1：开始；
步骤P2：对输入图像进行图像处理特征提取；
步骤P3：提取特征与地图路标库进行基于KD-Tree特征匹配；
步骤P4：相对定位，确定摄像装置120方向{θ1…θd}和旋转矩阵{R1…Rd}；
步骤P5：根据方程确定平移矢量，得到的多个可能位姿；
步骤P6：RANSAC选举，得票最多者作为最终结果。
在导航方面，所述导航模块260能够在创建好的地图，并根据当前的环境感知信息和位姿信息，实时实现智能机器人的路径规划和动态避障等功能。对于智能机器人的路径规划，分为全局规划和局部规划。
参照图5，本发明一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的全局规划的步骤流程图：
步骤B1：确定全局位姿。进行基于视觉的全局定位，确定当前全局位姿；进行基于视觉的位置识别，得到当前的度量位置和拓扑位置；
步骤B2：根据拓扑地图选择最短路径作为全局规划路径。在拓扑地图层进行全局规划，由于拓扑节点之间的边包含了节点之间的空间关系和连通性，因此可以计算最短路径，把最短路径做为全局路径；
步骤B3：确定拓扑节点内的路径。由于每一个拓扑节点可能由多个位置组成，再次根据路径最短原则，提取其中的多个位置，作为该拓扑节点内的路径；
步骤B4：选取导航路标。使用位置中一个或几个典型视图对应的三维图像处理路标，作为导航路标；
步骤B5：生成全局路径。该路径由上述步骤选取得到的路标构成，这样智能机器人就可以进行基于位置的导航，通过可靠的局部地图中的导航，最终实现全局导航。
参照图6，本发明一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的局部规划和动态避障的步骤流程图：
步骤Q1：对障碍物运动进行预测。智能机器人根据其局部感知信息，基于梯度方法生成局部子目标，并对动态障碍物的运动进行预测，判断机器人行进是否可能与动态障碍物相碰撞。
步骤Q2：窗口优化。根据窗口内的环境信息及预测结果，确定向子目标行进的局部路径，并依照所规划的局部路径行进一步，窗口相应向前滚动。
步骤Q3：反馈初始化。在新的滚动窗口产生后，根据传感器所获得的最新信息，对窗口内的环境以及障碍物的运动状况进行更新。
对于数据通讯方面，所述数据通讯模块220能够提供智能机器人与外界的通讯，包括人机之间的信息交互以及智能机器人之间的通讯，提供目标信息。所述数据通讯模块220包括无线通讯模块221和有线通讯模块222，能够通过无线或者有线的方式进行数据通讯。
对于行为决策方面，所述行为决策模块240能够根据目标信息、智能机器人的位姿、创建的地图和环境感知信息做出正确的决策，控制智能机器人运动行驶，完成移动任务。
对于信息的交流与协调汇总，所述主程序模块210负责各个模块之间的协调与信息交流，将环境感知信息以及数据通讯信息传送至其他模块。
参照图7，本发明一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的智慧行走结构图。
智能机器人根据先验环境地图和环境感知信息进行定位，得出智能机器人的位姿，并与环境感知信息相结合得到局部环境地图，所述局部环境地图会对先验地图进行补充局部环境地图信息，智能机器人会根据先验环境地图分析出目标驱动的全局规划，另外，智能机器人会根据局部环境地图分析出局部规划和动态避障，最后，智能机器人会根据目标驱动的规划信息和动态避障的规划信息做出正确的行为决策，得到正确的路径规划。
参照图8，本发明一种智能机器人智慧行走控制系统及其方法的总体控制方法的步骤流程图：
步骤S1：获取地理环境信息；
步骤S2：创建拓扑地图和度量地图；
步骤S3：根据周围环境信息和创建的地图进行智能机器人的全局定位，获取智能机器人的全局位姿；
步骤S4：根据创建的先验环境地图、全局位姿和目标信息进行全局规划；
步骤S5：根据创建的局部环境地图和全局位姿进行局部规划和动态避障规划；
步骤S6：根据规划信息对智能机器人的行为进行决策；
步骤S7：根据行为决策信息进行位置移动。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种智能机器人智慧行走控制系统，其特征在于：包括主控系统(110)、用于摄取周围环境图像信息的摄像装置(120)、用于精确测量障碍物的激光雷达装置(130)、用于检测智能机器人位姿的电子罗盘(140)、数据通讯装置(150)和电机控制装置(160)、主程序模块(210)、导航模块(260)、数据通讯模块(220)、用于创建地图信息的地图创建模块(250)、用于确定机器人位姿的定位模块(270)、用于实时采集周围环境信息的环境感知模块(230)和用于控制机器人运动的行为决策模块(240)；所述主控系统(110)分别与摄像装置(120)、激光雷达装置(130)、电子罗盘(140)、数据通讯装置(150)和电机控制装置(160)连接，所述主程序模块(210)分别与导航模块(260)、数据通讯模块(220)、环境感知模块(230)和行为决策模块(240)连接，所述导航模块(260)还分别连接至地图创建模块(250)和定位模块(270)。
2.根据权利要求1所述的一种智能机器人智慧行走控制系统，其特征在于：所述激光雷达装置(130)包括用于发射探测信号的发射装置(131)和用于接收探测反射信号的接收装置(132)，所述发射装置(131)和接收装置(132)分别连接至主控系统(110)。
3.根据权利要求1所述的一种智能机器人智慧行走控制系统，其特征在于：所述数据通讯装置(150)包括无线通讯装置(151)，所述无线通讯装置(151)连接至主控系统(110)。
4.根据权利要求1所述的一种智能机器人智慧行走控制系统，其特征在于：所述数据通讯装置(150)包括有线通讯装置(152)，所述有线通讯装置(152)连接至主控系统(110)。
5.根据权利要求1所述的一种智能机器人智慧行走控制系统，其特征在于：所述电机控制装置(160)包括电机(162)和用于驱动电机的电机驱动电路(161)，所述电机驱动电路(161)的输出端连接至电机(162)，所述电机驱动电路(161)的输入端连接至主控系统(110)。
6.根据权利要求1所述的一种智能机器人智慧行走控制系统，其特征在于：还包括用于测量行程的里程计(170)，所述里程计(170)连接至主控系统(110)。
7.根据权利要求1所述的一种智能机器人智慧行走控制系统，其特征在于：所述数据通讯模块(220)包括无线通讯模块(221)，所述无线通讯模块(221)和主程序模块(210)相连接。
8.根据权利要求1所述的一种智能机器人智慧行走控制系统，其特征在于：所述数据通讯模块(220)包括有线通讯模块(222)，所述有线通讯模块(222)和主程序模块(210)相连接。
9.根据权利1-8任一所述的智能机器人智慧行走控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取地理环境信息；
S2：创建拓扑地图和度量地图；
S3：根据周围环境信息和创建的地图进行智能机器人的全局定位，获取智能机器人的全局位姿；
S4：根据创建的先验环境地图、全局位姿和目标信息进行全局规划；
S5：根据创建的局部环境地图和全局位姿进行局部规划和动态避障规划；
S6：根据规划信息对智能机器人的行为进行决策；
S7：根据行为决策信息进行位置移动。
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