CN107608348A - 一种自主式标线机器人系统及标线方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自主式标线机器人系统及标线方法，所述系统包括：移动底盘1、智能控制系统2和标线系统3，所述的智能控制系统2设于移动底盘1上，标线系统3与移动底盘1连接；所述的移动底盘1包括动力系统4、控制系统5和电池模块6；所述的智能控制系统2包括标线定位模块7、核心控制模块8，所述的核心控制模块8分别与标线定位模块7、控制系统5连接，控制系统5分别与动力系统4和电池模块6连接；所述的标线定位模块7包括差分GPS系统13、里程计14和惯导15，所述的差分GPS系统13、里程计14和惯导15分别与核心控制模块8连接。本发明实现了自动标线，而且标线过程中可以获得更加精确的位置信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种自主式标线机器人系统及标线方法，属于标线技术领域。
背景技术
机场、高速公路上，需要划分各种指示线来规范交通秩序，比如飞机场中的降落指示线，高速公路上的车道划分线等。以往这些指示线都是通过人工划的，基本上每3到6个月就需要维护一次，人工成本较高。
申请号为201611197097.5的专利申请公开了一种道路交通标线自动划线车，通过利用人机交互单元、工控机、车体定位单元、步进电机、执行机构及线宽调节单元，实现了划线车自动划线功能，达到了节省人力的目的。但是该划线车还存在以下缺陷：1.导航定位功能比较简单，仅仅用GPS无法做到精准定位；2.步进电机属于开环调速，速度控制不够精准；3.未说明虚线、弯曲线路如何进行标线；4.无法实现热熔标线、双组份标线等多种自主式标线的使用工况。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种自主式标线机器人系统及标线方法，它可以有效解决现有技术中存在的问题，尤其是导航定位功能比较简单，仅仅用GPS无法做到精准定位的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种自主式标线机器人系统，包括：移动底盘、智能控制系统和标线系统，所述的智能控制系统设于移动底盘上，标线系统与移动底盘连接；所述的移动底盘包括动力系统、控制系统和电池模块；所述的智能控制系统包括标线定位模块、核心控制模块，所述的核心控制模块分别与标线定位模块、控制系统连接，控制系统分别与动力系统和电池模块连接；所述的标线定位模块包括差分GPS系统，所述的差分GPS系统与核心控制模块连接。
优选的，所述的标线定位模块还包括：里程计和惯导，所述的里程计和惯导分别与核心控制模块连接，从而可以输出更为精确的机器人本体的位置直角坐标数据和姿态角数据。
优选的，所述的移动底盘采用基于麦克纳姆轮的全方位移动底盘，使用该种底盘，移动速度不大于5km/h，爬坡能力可以实现5°，可以全方位移动，灵活、平稳。
优选的，所述的智能控制系统还包括环境监控模块和避障模块，所述的环境监控模块和避障模块分别与核心控制模块连接，从而实现标线机器人系统在行进过程中进行自动避障，进一步提高了标线效率。
前述的自主式标线机器人系统中，所述的智能控制系统还包括无线通讯模块和远程遥控装置，所述的无线通讯模块分别与远程遥控装置、环境监控模块和核心控制模块连接，从而可以进行远程的数传和图传通信，方便操作人员实时观察标线机器人系统的工作状态、检测数据等，也可以实现远程控制标线机器人系统。
前述的自主式标线机器人系统中，所述的标线系统包括C控制模块、喷涂机构和支撑机构，所述的C控制模块和支撑机构设于移动底盘上，喷涂机构设于移动底盘的一侧；C控制模块分别与喷涂机构和核心控制模块连接。
本发明中，所述的喷涂机构包括C继电器、压力泵和D电磁阀，所述的C继电器分别与C控制模块、压力泵和D电磁阀连接，D电磁阀与喷涂回路的喷头连接。从而可以实现常温标线。
优选的，所述的支撑机构采用三轮支撑型支撑机构，其中后面的两个轮子是定向轮，前面的一个轮子是万向轮，从而使得支撑结构更加稳定，而且转向轮位于前面方便整个机构转弯，支撑机构运转灵活。
优选的，所述的远程遥控装置采用背负式手提箱遥控器，从而可以降低系统成本，而且该背负式手提箱遥控器体积小，重量轻，便于携带，适合复杂地形的野外作业。
本发明中，所述的远程遥控装置包括人机交互模块和显示模块，所述的人机交互模块包括多个三轴工业手柄、按钮、旋钮、指示灯，用户可以通过人机交互模块给智能控制系统发送控制信息，还可以通过指示灯获得标线机器人系统的主要状态、错误信息等；显示模块由一个工业显示器组成，可以显示标线机器人系统标线工况、巡线精度以及各模块的详细工作状态。
本发明中，所述的避障模块由两台激光雷达组成，两台激光雷达安装在机器人的前后部，从而可以实现对机器人四周环境的全覆盖扫描，使得标线机器人系统可以获知前后左右附近所有的障碍，无论前进还是后退时都可以避障。
前述的自主式标线机器人系统中，所述的动力系统采用带编码器的永磁同步电机，实现位置和速度的闭环精确控制。
优选的，所述的标线系统包括：A控制模块、A继电器、加热装置和A电磁阀，所述的A继电器分别与A控制模块、加热装置和A电磁阀连接，A电磁阀与喷涂回路的喷头连接，A控制模块与核心控制模块连接。从而可以实现热熔喷涂标线。
或者优选的，所述的标线系统包括：B控制模块、B继电器、B电磁阀、C电磁阀和隔膜泵，所述的B继电器分别与B控制模块、B电磁阀、C电磁阀和隔膜泵连接，所述的B电磁阀和C电磁阀与两个喷涂回路的喷头一一对应连接，B控制模块与核心控制模块连接。从而可以实现双组份喷涂标线。
利用前述的系统进行标线的方法，包括以下步骤：
S1，计算待标线的关键点在世界直角坐标系中的坐标；(进行标线之前，核心控制模块已经获取待标线的关键点的GPS坐标(可以是操作人员手持GPS标定器依次走到各个直线段的起点和终点以及曲线上的各个目标点，记录这些目标点的坐标))
S2，控制移动底盘移动至关键点进行标线工作。
优选的，步骤S1中所述的计算待标线的关键点在世界直角坐标系中的坐标包括以下步骤：
S11，选取待标线区域中的不在同一直线上的三个点，分别获取这三个点的经纬度坐标及机器人本体的经纬度坐标和航向角；
S12，建立世界直角坐标系：以其中一个点为原点，另外两个点中的一个点与原点之间的直线作为世界直角坐标系的X轴；在地平面中垂直X轴且经过原点的直线作为世界直角坐标系的Y轴；垂直地平面且向上的矢量作为世界直角坐标系的Z轴；
S13，通过坐标系转换获得待标线区域的关键点在世界直角坐标系中的坐标以及机器人本体在世界直角坐标系中的位置直角坐标和姿态角。
每次开始工作之前都更新一次世界直角坐标系，能保证整个工作中的位置精度；且仅采用三个点就能确定一个世界直角坐标系。选定世界直角坐标系后，机器人所有的运动操作全部都映射到这个坐标系中执行，简化了计算，提高了标线效率。
本发明，还包括：根据惯导及里程计输出的位置偏移和姿态角偏移信息，对步骤S13中已获取的机器人本体在世界直角坐标系中的位置直角坐标和姿态角进行数据融合修正；具体包括以下步骤：
S131，利用惯导输出三轴加速度和三轴角加速度，对所述的三轴加速度和三轴角加速度进行积分得三轴线速度和三轴角速度；
S132，对所述的三轴线速度进行积分，得三轴方向的位置偏移；对z轴角速度进行积分，得姿态角偏移；里程计输出姿态角方向上的位置偏移，所述的姿态角方向上的位置偏移在世界直角坐标系中线性分解为xy轴两个方向的位置偏移；
S133，将GPS数据计算出的机器人本体的直角坐标与惯导、里程计计算出的机器人本体的位置偏移采用卡尔曼滤波器进行融合(从而可以输出更为精确的机器人本体的位置直角坐标数据)；将GPS计算出的机器人本体的姿态角与惯导计算出的机器人本体的姿态角偏移采用卡尔曼滤波器进行融合(从而可以输出机器人本体更为精确的姿态角数据)。
优选的，若待标线为直线段，则选择起点和终点作为关键点，机器人从起点开始喷漆，直线行走到终点停止；若待标线为虚线，所述的虚线由多个直线段组成，则选择每条线段的起点和终点作为关键点，机器人从第一个线段的起点开始喷漆，直线行走到终点停止，然后再从第二个线段的起点开始喷涂，以此类推；若待标线为曲线并且是规则的圆周，则选择起点和终点作为关键点，然后给机器人输入圆周的半径作为转弯半径，使得机器人从起点开始喷漆，画圆走到终点停止喷漆；若待标线为不规则曲线，则采用多条首尾相连的线段去逼近曲线，然后选择每条线段的起点和终点作为关键点，其中，对于两条相邻的线段，上一个线段的终点也即下一个线段的起点，机器人从第一个线段的起点开始喷漆，直线行走到终点停止，然后以该终点作为第二个线段的起点，直线行走至第二个线段的终点，以此类推。从而可以实现精准标线。
前述的标线方法，步骤S2中进行标线时，首先C控制模块16通过C继电器19控制压力泵20给喷涂回路加压，然后再通过C继电器19控制D电磁阀21，进而控制喷头实现常温标线。
前述的标线方法，步骤S2中进行标线时，首先A控制模块通过A继电器控制加热装置，分别给料箱和喷头位置进行加热，然后再通过A继电器控制A电磁阀，由A电磁阀控制喷涂回路喷头的开关进行喷涂标线，从而可以实现热熔喷涂标线。
或者，步骤S2中进行标线时，首先B控制模块通过B继电器控制隔膜泵启动给两个喷涂回路增压，然后B继电器再分别控制两个回路的B电磁阀、C电磁阀，由B电磁阀、C电磁阀控制各自喷涂回路的喷头同时喷涂到同一位置进行标线，从而可以实现双组份喷涂标线。
所述方法还包括：
(可利用背负式手提箱遥控器为标线机器人系统)设定工作区域，进行多车道标线。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、通过利用移动底盘、智能控制系统和标线系统，所述的智能控制系统设于移动底盘上，标线系统与移动底盘连接；所述的移动底盘包括动力系统、控制系统和电池模块；所述的智能控制系统包括标线定位模块、核心控制模块，所述的核心控制模块分别与标线定位模块、控制系统连接，控制系统分别与动力系统和电池模块连接，从而实现了自动标线；尤其是本发明采用差分GPS系统(厘米级定位精度)，从而可以获得更加精确的位置信息；
2、本发明可以实现热熔标线、双组份标线等多种自主式标线的使用工况；
3、本发明中所述的动力系统采用带编码器的永磁同步电机，实现位置和速度的闭环精确控制；
4、若待标线为直线段，则选择起点和终点作为关键点，机器人从起点开始喷漆，直线行走到终点停止；若待标线为虚线，所述的虚线由多个直线段组成，则选择每条线段的起点和终点作为关键点，机器人从第一个线段的起点开始喷漆，直线行走到终点停止，然后再从第二个线段的起点开始喷涂，以此类推；若待标线为曲线并且是规则的圆周，则选择起点和终点作为关键点，然后给机器人输入圆周的半径作为转弯半径，使得机器人从起点开始喷漆，画圆走到终点停止喷漆；若待标线为不规则曲线，则采用多条首尾相连的线段去逼近曲线，然后选择每条线段的起点和终点作为关键点，其中，对于两条相邻的线段，上一个线段的终点也即下一个线段的起点，机器人从第一个线段的起点开始喷漆，直线行走到终点停止，然后以该终点作为第二个线段的起点，直线行走至第二个线段的终点，以此类推。从而可以实现精准标线，通过上述方法，本发明不仅可以实现直线段标线，同时还可以实现虚线、弯曲线路的精确标线；
5、本发明采用将GPS、惯导以及里程计的数据进行融合，从而可以获得更高精度、更高数据刷新率的位姿数据；
6、本发明通过建立世界直角坐标系，每次开始工作之前都更新一次世界直角坐标系，能保证整个工作中的位置精度；且仅采用三个点就能确定一个世界直角坐标系。选定世界直角坐标系后，机器人所有的运动操作全部都映射到这个坐标系中执行，简化了计算，提高了标线效率。
附图说明
图1是本发明的系统整体结构示意图；
图2是移动底盘采用基于麦克纳姆轮的全方位移动底盘的示意图；
图3是移动底盘采用基于橡胶轮胎的后驱移动底盘的示意图；
图4是移动底盘采用基于履带式的移动底盘的示意图；
图5是移动底盘采用双主轮、四辅助轮的双轮驱动方式的移动底盘的示意图；
图6是远程遥控装置的结构示意图；
图7是支撑机构的一种实施例的结构示意图；
图8是支撑机构的另一种实施例的结构示意图；
图9是支撑机构的第三种实施例的结构示意图；
图10是支撑机构的第四种实施例的结构示意图；
图11是标线系统的一种设置方式示意图；
图12是本发明中部件的电连接关系示意图；
图13是进行热熔喷涂的标线系统示意图；
图14是进行双组份喷涂的标线系统示意图；
图15是永磁同步电机进行位置和速度的闭环控制的方框示意图。
附图标记：1-移动底盘，2-智能控制系统，3-标线系统，4-动力系统，5-控制系统，6-电池模块，7-标线定位模块，8-核心控制模块，9-环境监控模块，10-避障模块，11-无线通讯模块，12-远程遥控装置，13-差分GPS系统，14-里程计，15-惯导，16-C控制模块，17-喷涂机构，18-支撑机构，19-C继电器，20-压力泵，21-D电磁阀，22-人机交互模块，23-显示模块，24-A电磁阀，25-B控制模块，26-B继电器，27-B电磁阀，28-C电磁阀，29-隔膜泵，30-A控制模块，31-A继电器，32-加热装置。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
本发明的实施例1：一种自主式标线机器人系统，如图11、图12所示，包括：移动底盘1、智能控制系统2和标线系统3，所述的智能控制系统2设于移动底盘1上，标线系统3设于移动底盘上，并与移动底盘1连接；所述的移动底盘1包括动力系统4、控制系统5和电池模块6；所述的智能控制系统2包括标线定位模块7、核心控制模块8，所述的核心控制模块8分别与标线定位模块7、控制系统5连接，控制系统5分别与动力系统4和电池模块6连接；所述的标线定位模块7包括差分GPS系统13、里程计14和惯导15，所述的差分GPS系统13、里程计14和惯导15分别与核心控制模块8连接。如图2所示，所述的移动底盘1采用基于麦克纳姆轮的全方位移动底盘。所述的智能控制系统2还包括环境监控模块9和避障模块10，所述的环境监控模块9和避障模块10分别与核心控制模块8连接。所述的智能控制系统2还包括无线通讯模块11和远程遥控装置12，所述的无线通讯模块11分别与远程遥控装置12、环境监控模块9和核心控制模块8连接。所述的标线系统3包括C控制模块16、喷涂机构17和支撑机构18，所述的C控制模块16和支撑机构18设于移动底盘1上，喷涂机构17设于移动底盘1的一侧；C控制模块16分别与喷涂机构17和核心控制模块8连接。所述的喷涂机构17包括C继电器19、压力泵20和D电磁阀21，所述的C继电器19分别与C控制模块16、压力泵20和D电磁阀21连接，D电磁阀21与喷涂回路的喷头连接。如图7所示，所述的支撑机构18可采用三轮支撑型支撑机构，其中后面的两个轮子是定向轮，前面的一个轮子是万向轮。所述的远程遥控装置12采用背负式手提箱遥控器。如图6所示，所述的远程遥控装置12包括人机交互模块22和显示模块23，所述的人机交互模块22包括多个三轴工业手柄、按钮、旋钮、指示灯。所述的避障模块10由两台激光雷达组成。核心控制模块8是整个机器人的大脑，可以由工控机、PLC或嵌入式控制板等模块组成，负责协调处理各个模块的工作，获取和传输数据。环境监控模块9由多个监控摄像头及视频服务器组成，负责拍摄机器人周围的环境视频，回传到远程遥控装置12。
实施例2：一种自主式标线机器人系统，包括：移动底盘1、智能控制系统2和标线系统3，所述的智能控制系统2设于移动底盘1上，标线系统3与移动底盘1连接；所述的移动底盘1包括动力系统4、控制系统5和电池模块6；所述的智能控制系统2包括标线定位模块7、核心控制模块8，所述的核心控制模块8分别与标线定位模块7、控制系统5连接，控制系统5分别与动力系统4和电池模块6连接；所述的标线定位模块7包括差分GPS系统13，所述的差分GPS系统13与核心控制模块8连接。所述的标线系统3包括C控制模块16、喷涂机构17和支撑机构18，所述的C控制模块16和喷涂机构17设于支撑机构18上，支撑机构18与移动底盘1连接；C控制模块16分别与喷涂机构17和核心控制模块8连接。如图3所示，所述的移动底盘1可采用基于橡胶轮胎的后驱移动底盘。如图8所示，所述的支撑机构18采用两轮支撑型，其中，两个轮子都是定向轮。
所述的标线定位模块7还可包括工业相机、光源及辅助定位装置，光源为工业相机拍照提供主动照明，以防止环境光和夜间对拍摄效果的影响，因此无论白天黑夜均可以作业，辅助定位装置在路面需要标线的地方提供辅助标记，工业相机用于拍摄路面，并通过图像处理智能识别辅助标记的位置。
导航方法：人工利用辅助定位装置在地面做出对比明显的标记(可用粉笔和尺子在地面画下细线，也可用沾满白粉的棉线拉直后在地面弹出直线)，遥控机器人的移动底盘1移动到标线起点，机器人通过工业相机拍摄路面图片，实时识别地面标记，进行自动巡线前进，执行喷涂工作。如果要划虚线，还可对地面标记进行分类，设定一些复杂操作(如停止喷涂和开始喷涂)的特殊标记。
实施例3：一种自主式标线机器人系统，如图1所示，包括：移动底盘1、智能控制系统2和标线系统3，所述的智能控制系统2设于移动底盘1上，标线系统3设于移动底盘1后端，并与移动底盘1连接；所述的移动底盘1包括动力系统4、控制系统5和电池模块6；所述的智能控制系统2包括标线定位模块7、核心控制模块8，所述的核心控制模块8分别与标线定位模块7、控制系统5连接，控制系统5分别与动力系统4和电池模块6连接；所述的标线定位模块7包括差分GPS系统13、里程计14和惯导15，所述的差分GPS系统13、里程计14和惯导15分别与核心控制模块8连接。所述的标线系统3包括C控制模块16、喷涂机构17和支撑机构18，所述的C控制模块16和喷涂机构17设于支撑机构18上，支撑机构18与移动底盘1连接；C控制模块16分别与喷涂机构17和核心控制模块8连接。如图4所示，所述的移动底盘1可采用基于履带式的移动底盘。如图9所示，所述的支撑机构18采用两轮支撑型，其中，两个轮子都是万向轮。
所述的标线定位模块7还可包括激光发射器、激光接收器，其中激光接收器安装在机器上移动底盘1上，激光发射器安置在需要标线的地面上，使射出的光线平行于地面标线。
导航方法：激光发射器安置在需要标线的地面上远端，使射出的光线平行于地面标线，遥控调整机器人的位姿，运动到标线的地面近端，并且使激光接收器接收到发射器的光线信号，机器人以激光作为导航方向，沿着此方向前进并进行标线喷涂作业。
实施例4：一种自主式标线机器人系统，包括：移动底盘1、智能控制系统2和标线系统3，所述的智能控制系统2设于移动底盘1上，标线系统3与移动底盘1连接；所述的移动底盘1包括动力系统4、控制系统5和电池模块6；所述的智能控制系统2包括标线定位模块7、核心控制模块8，所述的核心控制模块8分别与标线定位模块7、控制系统5连接，控制系统5分别与动力系统4和电池模块6连接；所述的标线定位模块7包括差分GPS系统13、里程计14和惯导15，所述的差分GPS系统13、里程计14和惯导15分别与核心控制模块8连接。所述的智能控制系统2还包括环境监控模块9和避障模块10，所述的环境监控模块9和避障模块10分别与核心控制模块8连接。所述的智能控制系统2还包括无线通讯模块11和远程遥控装置12，所述的无线通讯模块11分别与远程遥控装置12、环境监控模块9和核心控制模块8连接。所述的标线系统3包括C控制模块16、喷涂机构17和支撑机构18，所述的C控制模块16和支撑机构18设于移动底盘1上，喷涂机构17设于移动底盘1的一侧；C控制模块16分别与喷涂机构17和核心控制模块8连接。如图5所示，所述的移动底盘1可采用双主轮、四辅助轮的双轮驱动方式的移动底盘。如图10所示，所述的支撑机构18采用三轮支撑型，其中，前两个轮子是定向轮，后面一个轮子是万向轮。
所述的标线定位模块7还可包括机器视觉系统(如双摄像机组成双目机器视觉)，根据光流和周围标志物信息判定位置和前进方向，该方式需要较多外界参照物，因此仅限于白天作业。
导航方法：由两台或多台相机组成机器视觉系统，每台相机互成固定角度，不但获取平面图像信息，还能获得深度信息；机器人移动时，相机成像画面中，越靠近视野边缘的物体移动越快，越靠近视野中间的物体移动越慢甚至基本不动，这样连续的画面变化就会形成光流信息，根据光流变化可以对机器人进行参考坐标系定位；另外，在公路作业时，公路栏杆也是一个很好的导航基准线。将以上三种位置信息进行融合可以获得更精确的位置信息。
实施例5：一种自主式标线机器人系统，包括：移动底盘1、智能控制系统2和标线系统3，所述的智能控制系统2设于移动底盘1上，标线系统3与移动底盘1连接；所述的移动底盘1包括动力系统4、控制系统5和电池模块6；所述的智能控制系统2包括标线定位模块7、核心控制模块8，所述的核心控制模块8分别与标线定位模块7、控制系统5连接，控制系统5分别与动力系统4和电池模块6连接；所述的标线定位模块7包括差分GPS系统13，所述的差分GPS系统13与核心控制模块8连接。
实施例6：一种自主式标线机器人系统，包括：移动底盘1、智能控制系统2和标线系统3，所述的智能控制系统2设于移动底盘1上，标线系统3与移动底盘1连接；所述的移动底盘1包括动力系统4、控制系统5和电池模块6；所述的智能控制系统2包括标线定位模块7、核心控制模块8，所述的核心控制模块8分别与标线定位模块7、控制系统5连接，控制系统5分别与动力系统4和电池模块6连接；所述的标线定位模块7包括差分GPS系统13，所述的差分GPS系统13与核心控制模块8连接。所述的动力系统4可采用步进电机。
实施例7：一种自主式标线机器人系统，包括：移动底盘1、智能控制系统2和标线系统3，所述的智能控制系统2设于移动底盘1上，标线系统3与移动底盘1连接；所述的移动底盘1包括动力系统4、控制系统5和电池模块6；所述的智能控制系统2包括标线定位模块7、核心控制模块8，所述的核心控制模块8分别与标线定位模块7、控制系统5连接，控制系统5分别与动力系统4和电池模块6连接；所述的标线定位模块7包括差分GPS系统13、里程计14和惯导15，所述的差分GPS系统13、里程计14和惯导15分别与核心控制模块8连接。所述的动力系统4采用带编码器的永磁同步电机，实现位置和速度的闭环控制。所述的标线系统3包括C控制模块16、喷涂机构17和支撑机构18，所述的C控制模块16和支撑机构18设于移动底盘1上，喷涂机构17设于移动底盘1的一侧；C控制模块16分别与喷涂机构17和核心控制模块8连接。所述的喷涂机构17包括C继电器19、压力泵20和D电磁阀21，所述的C继电器19分别与C控制模块16、压力泵20和D电磁阀21连接，D电磁阀21与喷涂回路的喷头连接。
实施例8：一种自主式标线机器人系统，如图13所示，包括：移动底盘1、智能控制系统2和标线系统3，所述的智能控制系统2设于移动底盘1上，标线系统3与移动底盘1连接；所述的移动底盘1包括动力系统4、控制系统5和电池模块6；所述的智能控制系统2包括标线定位模块7、核心控制模块8，所述的核心控制模块8分别与标线定位模块7、控制系统5连接，控制系统5分别与动力系统4和电池模块6连接；所述的标线定位模块7包括差分GPS系统13、里程计14和惯导15，所述的差分GPS系统13、里程计14和惯导15分别与核心控制模块8连接。所述的标线系统3包括：A控制模块30、A继电器31、加热装置32和A电磁阀24，所述的A继电器31分别与A控制模块30、加热装置32和A电磁阀24连接，A电磁阀24与喷涂回路的喷头连接，A控制模块30与核心控制模块8连接。
实施例9：一种自主式标线机器人系统，如图14所示，包括：移动底盘1、智能控制系统2和标线系统3，所述的智能控制系统2设于移动底盘1上，标线系统3与移动底盘1连接；所述的移动底盘1包括动力系统4、控制系统5和电池模块6；所述的智能控制系统2包括标线定位模块7、核心控制模块8，所述的核心控制模块8分别与标线定位模块7、控制系统5连接，控制系统5分别与动力系统4和电池模块6连接；所述的标线定位模块7包括差分GPS系统13、里程计14和惯导15，所述的差分GPS系统13、里程计14和惯导15分别与核心控制模块8连接。所述的标线系统3包括：B控制模块25、B继电器26、B电磁阀27、C电磁阀28和隔膜泵29，所述的B继电器26分别与B控制模块25、B电磁阀27、C电磁阀28和隔膜泵29连接，所述的B电磁阀27和C电磁阀28与两个喷涂回路的喷头一一对应连接，B控制模块25与核心控制模块8连接。
利用实施例1～9任一所述的系统进行标线的方法，包括以下步骤：
S1，计算待标线的关键点在世界直角坐标系中的坐标；(进行标线之前，核心控制模块8已经获取待标线的关键点的GPS坐标(可以是操作人员手持GPS标定器依次走到各个直线段的起点和终点以及曲线上的各个目标点，记录这些目标点的坐标))
S2，控制移动底盘1移动至关键点进行标线工作。
可选的，步骤S1中所述的计算待标线的关键点在世界直角坐标系中的坐标包括以下步骤：
S11，选取待标线区域中的不在同一直线上的三个点，分别获取这三个点的经纬度坐标及机器人本体的经纬度坐标和航向角；
S12，建立世界直角坐标系：以其中一个点为原点，另外两个点中的一个点与原点之间的直线作为世界直角坐标系的X轴；在地平面中垂直X轴且经过原点的直线作为世界直角坐标系的Y轴；垂直地平面且向上的矢量作为世界直角坐标系的Z轴；
S13，通过坐标系转换获得待标线区域的关键点在世界直角坐标系中的坐标以及机器人本体在世界直角坐标系中的位置直角坐标和姿态角。
为了进一步获得高精度的位置直角坐标和姿态角，还包括：根据惯导及里程计输出的位置偏移和姿态角偏移信息，对步骤S13中已获取的机器人本体在世界直角坐标系中的位置直角坐标和姿态角进行数据融合修正；具体包括以下步骤：
S131，利用惯导输出三轴加速度和三轴角加速度，对所述的三轴加速度和三轴角加速度进行积分得三轴线速度和三轴角速度；
S132，对所述的三轴线速度进行积分，得三轴方向的位置偏移；对z轴角速度进行积分，得姿态角偏移；里程计输出姿态角方向上的位置偏移，所述的姿态角方向上的位置偏移在世界直角坐标系中线性分解为xy轴两个方向的位置偏移；
S133，将GPS数据计算出的机器人本体的直角坐标与惯导、里程计计算出的机器人本体的位置偏移采用卡尔曼滤波器进行融合；将GPS计算出的机器人本体的姿态角与惯导计算出的机器人本体的姿态角偏移采用卡尔曼滤波器进行融合。
为了实现更精确的标线，若待标线为直线段，则选择起点和终点作为关键点，机器人从起点开始喷漆，直线行走到终点停止；若待标线为虚线，所述的虚线由多个直线段组成，则选择每条线段的起点和终点作为关键点，机器人从第一个线段的起点开始喷漆，直线行走到终点停止，然后再从第二个线段的起点开始喷涂，以此类推；若待标线为曲线并且是规则的圆周，则选择起点和终点作为关键点，然后给机器人输入圆周的半径作为转弯半径，使得机器人从起点开始喷漆，画圆走到终点停止喷漆；若待标线为不规则曲线，则采用多条首尾相连的线段去逼近曲线，然后选择每条线段的起点和终点作为关键点，其中，对于两条相邻的线段，上一个线段的终点也即下一个线段的起点，机器人从第一个线段的起点开始喷漆，直线行走到终点停止，然后以该终点作为第二个线段的起点，直线行走至第二个线段的终点，以此类推。
为了实现常温标线，步骤S2中进行标线时，首先C控制模块16通过C继电器19控制压力泵20给喷涂回路加压，然后再通过C继电器19控制D电磁阀21，进而控制喷头实现常温标线。
为了实现热熔喷涂标线，步骤S2中进行标线时，首先A控制模块30通过A继电器31控制加热装置32，分别给料箱和喷头位置进行加热，然后再通过A继电器31控制A电磁阀24，由A电磁阀24控制喷涂回路喷头的开关进行喷涂标线。
为了实现双组份喷涂标线，步骤S2中进行标线时，首先B控制模块25通过B继电器26控制隔膜泵29启动给两个喷涂回路增压，然后B继电器26再分别控制两个回路的B电磁阀27、C电磁阀28，由B电磁阀27、C电磁阀28控制各自喷涂回路的喷头同时喷涂到同一位置进行标线。
所述方法还可包括：
S3，如果标线机器人系统的避障模块10发现障碍物，标线机器人系统停下并试图绕过，如障碍无法绕过则切换成远程遥控模式由操作人员手动遥控绕过障碍。
所述方法还可包括：如果标线机器人系统出现喷料用完、管路堵塞等情况，由传感器返回信号并系统报警，标线机器人系统退出工作区域进行填料或整修。
为了方便进行多车道标线，所述方法还包括：
(可利用背负式手提箱遥控器为标线机器人系统)设定工作区域。
本发明的一种实施例的工作原理：
可采用一拖一带的模式，标线系统3的支撑机构18自带底盘，与移动底盘1连接，并由轮式底盘提供动力拖带标线系统3工作，标线系统3与移动底盘1连接，可以采用刚性连接，也可以采用柔性连接。
或者采用集成模式，标线系统3集成到移动底盘1上层及侧面，由移动底盘1承载整个标线机器人系统，通过智能控制系统2完成标线工作。
进行标线之前，核心控制模块8已经获取待标线的关键点的GPS坐标(可以是操作人员手持GPS标定器依次走到各个直线段的起点和终点以及曲线上的各个目标点，记录这些目标点的坐标)。进行标线时，核心控制模块8计算待标线的关键点在世界直角坐标系中的坐标；然后控制移动底盘1移动至关键点进行标线工作。具体的，(若进行多车道进行标线时，可利用远程遥控装置12上的人机交互模块22为标线机器人系统设定工作区域，使得机器人在该工作区域进行标线工作，然后通过无线通讯模块11传送至核心控制模块8)利用标线定位模块7进行定位(具体可利用差分GPS系统13获取标线机器人的位姿信息以及待标线的关键点的坐标信息，差分GPS系统13又包括GPS基站和标定装置，工作时，将GPS基站放置在固定位置保持不动，通过标定装置取两个或多个固定点坐标，即可获得较为精确的位置信息，将GPS的位置信息与里程计14和惯导15的数据通过卡尔曼滤波器进行数据融合，可获得更为精确的位置和姿态数据；核心控制模块将上述的标线机器人的位姿信息以及待标线的关键点的坐标信息转化为世界直角坐标系中的坐标和位姿，然后发送信息至C控制模块16，控制模块控制喷涂机构17进行划线，
具体的说，进行常温标线时，C控制模块16通过C继电器19控制压力泵20给喷涂回路加压，然后再通过C继电器19控制D电磁阀21，进而控制喷头实现常温标线，比如直线、虚线、转弯线等多种标线。进行热熔喷涂标线时，首先A控制模块30通过A继电器31控制加热装置32，分别给料箱和喷头位置进行加热，然后再通过A继电器31控制A电磁阀24，由A电磁阀24控制喷涂回路喷头的开关进行喷涂标线。进行双组份喷涂标线时，首先B控制模块25通过B继电器26控制隔膜泵29启动给两个喷涂回路增压，然后B继电器26再分别控制两个回路的B电磁阀27、C电磁阀28，由B电磁阀27、C电磁阀28控制各自喷涂回路的喷头同时喷涂到同一位置进行标线。同时可通过无线通讯模块11回传环境监控模块9采集的机器人状态及视频信息给远程遥控装置12供工作人员观看。行进过程中，如果标线机器人系统的避障模块10发现障碍物，标线机器人系统停下并试图绕过，如障碍无法绕过则切换成远程遥控模式由操作人员手动遥控绕过障碍。如果标线机器人系统出现喷料用完、管路堵塞等情况，由传感器返回信号并系统报警，标线机器人系统退出工作区域进行填料或整修。
带编码器的永磁同步电机实现位置和速度的闭环控制原理(如图15所示)：
永磁同步电机带编码器，当电机旋转时编码器发出脉冲信号，对脉冲信号进行计数并乘以固定比例系数即得到永磁同步电机转子实际位置；对转子位置进行微分还可得转子当前实际转速；
闭环控制最外环是位置环，位置环输入是电机转子目标位置给定，将目标位置与编码器读取到的转子当前位置做差，对位置偏差做PI调节，输出速度给定；
闭环控制次外环是速度环，速度环的输入是位置环的输出，作为速度给定，以编码器数据计算得到的转子实际速度作为速度反馈，二者做差，对得到的速度偏差做PI调节，输出电机定子电流给定；
闭环控制最内环是电流环，电流环的输入是速度环的输出，作为电流给定，电机安装电流传感器检测电流作为实际电流反馈，二者做差得到电流偏差，对电流偏差进行PI调节，输出定子电压幅值；
据转子当前位置获得应生成的三相交流电压相位，再结合电流环输出的电压幅值得到应发送给电机的三相交流电压波形，经过PWM生成器生成对应的三相SPWM波形标幺信号，再经过逆变器放大生成对应真正母线电压的三相PWM波，输入到永磁同步电机带动其旋转；
至此完成整个控制循环流程。
Claims (11)
1.一种自主式标线机器人系统，其特征在于，包括：移动底盘(1)、智能控制系统(2)和标线系统(3)，所述的智能控制系统(2)设于移动底盘(1)上，标线系统(3)与移动底盘(1)连接；所述的移动底盘(1)包括动力系统(4)、控制系统(5)和电池模块(6)；所述的智能控制系统(2)包括标线定位模块(7)、核心控制模块(8)，所述的核心控制模块(8)分别与标线定位模块(7)、控制系统(5)连接，控制系统(5)分别与动力系统(4)和电池模块(6)连接；所述的标线定位模块(7)包括差分GPS系统(13)，所述的差分GPS系统(13)与核心控制模块(8)连接。
2.根据权利要求1所述的自主式标线机器人系统，其特征在于，所述的标线定位模块(7)还包括：里程计(14)和惯导(15)，所述的里程计(14)和惯导(15)分别与核心控制模块(8)连接。
3.根据权利要求1所述的自主式标线机器人系统，其特征在于，所述的动力系统(4)采用带编码器的永磁同步电机，实现位置和速度的闭环控制。
4.根据权利要求1所述的自主式标线机器人系统，其特征在于，所述的标线系统(3)包括：A控制模块(30)、A继电器(31)、加热装置(32)和A电磁阀(24)，所述的A继电器(31)分别与A控制模块(30)、加热装置(32)和A电磁阀(24)连接，A电磁阀(24)与喷涂回路的喷头连接，A控制模块(30)与核心控制模块(8)连接。
5.根据权利要求1所述的自主式标线机器人系统，其特征在于，所述的标线系统(3)包括：B控制模块(25)、B继电器(26)、B电磁阀(27)、C电磁阀(28)和隔膜泵(29)，所述的B继电器(26)分别与B控制模块(25)、B电磁阀(27)、C电磁阀(28)和隔膜泵(29)连接，所述的B电磁阀(27)和C电磁阀(28)与两个喷涂回路的喷头一一对应连接，B控制模块(25)与核心控制模块(8)连接。
6.利用权利要求1～5任一项所述的系统进行标线的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，计算待标线的关键点在世界直角坐标系中的坐标；
S2，控制移动底盘(1)移动至关键点进行标线工作。
7.根据权利要求6所述的标线方法，其特征在于，步骤S1中所述的计算待标线的关键点在世界直角坐标系中的坐标包括以下步骤：
S11，选取待标线区域中的不在同一直线上的三个点，分别获取这三个点的经纬度坐标及机器人本体的经纬度坐标和航向角；
S12，建立世界直角坐标系：以其中一个点为原点，另外两个点中的一个点与原点之间的直线作为世界直角坐标系的X轴；在地平面中垂直X轴且经过原点的直线作为世界直角坐标系的Y轴；垂直地平面且向上的矢量作为世界直角坐标系的Z轴；
S13，通过坐标系转换获得待标线区域的关键点在世界直角坐标系中的坐标以及机器人本体在世界直角坐标系中的位置直角坐标和姿态角。
8.根据权利要求7所述的标线方法，其特征在于，还包括：根据惯导及里程计输出的位置偏移和姿态角偏移信息，对步骤S13中已获取的机器人本体在世界直角坐标系中的位置直角坐标和姿态角进行数据融合修正；具体包括以下步骤：
S131，利用惯导输出三轴加速度和三轴角加速度，对所述的三轴加速度和三轴角加速度进行积分得三轴线速度和三轴角速度；
S132，对所述的三轴线速度进行积分，得三轴方向的位置偏移；对z轴角速度进行积分，得姿态角偏移；里程计输出姿态角方向上的位置偏移，所述的姿态角方向上的位置偏移在世界直角坐标系中线性分解为xy轴两个方向的位置偏移；
S133，将GPS数据计算出的机器人本体的直角坐标与惯导、里程计计算出的机器人本体的位置偏移采用卡尔曼滤波器进行融合；将GPS计算出的机器人本体的姿态角与惯导计算出的机器人本体的姿态角偏移采用卡尔曼滤波器进行融合。
9.根据权利要求6或7所述的标线方法，其特征在于，若待标线为直线段，则选择起点和终点作为关键点，机器人从起点开始喷漆，直线行走到终点停止；若待标线为虚线，所述的虚线由多个直线段组成，则选择每条线段的起点和终点作为关键点，机器人从第一个线段的起点开始喷漆，直线行走到终点停止，然后再从第二个线段的起点开始喷涂，以此类推；若待标线为曲线并且是规则的圆周，则选择起点和终点作为关键点，然后给机器人输入圆周的半径作为转弯半径，使得机器人从起点开始喷漆，画圆走到终点停止喷漆；若待标线为不规则曲线，则采用多条首尾相连的线段去逼近曲线，然后选择每条线段的起点和终点作为关键点，其中，对于两条相邻的线段，上一个线段的终点也即下一个线段的起点，机器人从第一个线段的起点开始喷漆，直线行走到终点停止，然后以该终点作为第二个线段的起点，直线行走至第二个线段的终点，以此类推。
10.根据权利要求6所述的标线方法，其特征在于，步骤S2中进行标线时，首先A控制模块(30)通过A继电器(31)控制加热装置(32)，分别给料箱和喷头位置进行加热，然后再通过A继电器(31)控制A电磁阀(24)，由A电磁阀(24)控制喷涂回路喷头的开关进行喷涂标线。
11.根据权利要求6所述的标线方法，其特征在于，步骤S2中进行标线时，首先B控制模块(25)通过B继电器(26)控制隔膜泵(29)启动给两个喷涂回路增压，然后B继电器(26)再分别控制两个回路的B电磁阀(27)、C电磁阀(28)，由B电磁阀(27)、C电磁阀(28)控制各自喷涂回路的喷头同时喷涂到同一位置进行标线。
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