CN108168551A - 基于里程计和超声传感器的移动机器人混合定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于里程计和超声传感器的移动机器人混合定位系统和方法，系统包括测量模块、定位模块以及误差更新模块；其中所述测量模块由超声传感器、里程计传感器以及对应的A/D转换模块组成，所述定位模块由超声定位模块、里程计定位模块以及混合定位模块组成。本发明在非拐角区域使用超声传感器进行定位，在拐角区域使用里程计技术进行定位，每隔一段时间使用超声传感器测距的准确结果，对当前里程计测量结果进行误差校正，以保证里程计测量结果时刻处于一个可控的误差范围，从而实现准确的混合定位。

Description

基于里程计和超声传感器的移动机器人混合定位系统和方法

技术领域

本发明涉及室内定位方法，具体涉及一种基于里程计和超声传感器的移动机器人混合定位方法。

背景技术

随着各项性能的提高，服务机器人可以在人们日常生活中完成越来越多的任务，比如打扫卫生、移动物体等等。为了使任务完成得更加流畅，机器人必须对周围的环境进行更详细和准确的感知和认识。

定位技术是机器人定位与建图的基础，即如何根据现在观测到的和前面已知的信息，判断机器人在当前环境中的位置。

定位是包括扫地机器人在内的移动机器人自主导航中最基本的环节，也是完成任务必须解决的问题。常用的室内定位技术有基于超声传感器的定位技术，该技术使用机器人自身携带的超声传感器，根据已经建模好的周围环境特征，如内外角点，测量从机器人到环境特征之间的距离，根据反馈的距离计算出机器人当前所在位置。该方法定位准确、快捷，但是当机器人处于拐角的位置时，基于超声传感器的定位技术会出现无法判别的现象。

参见图1，图1为机器人处于拐角处时，仅有一个内角点P₁和一个外角点P₂可供测距，超声传感器测得从机器人位置到两个角点的距离分别为d₁和d₂，由于内角点P₁和一个外角点P₂的全局位置已知，可以两个角点为圆心，以距离为半径画圆，得到两个交点位置O₁和O₂，即是机器人位置的候选点。然而，由于拐角位置仅有一个内角点P₁和一个外角点P₂可供测距，无法利用其它角点辅助计算出机器人的精确位置。

另一种常见的室内定位技术是基于里程计的机器人室内定位技术，即通过 获得机器人左右驱动轮被测量的信息，并将其按一定规律转化成轮子的里程和速度信息，根据上一时刻机器人的位置计算出机器人的当前位置。该方法无需事先得到室内环境的建模，但是由于移动存在摩擦，里程计与实际移动距离存在细小误差，随着时间推移累积计算误差越来越大，最后无法实现准确定位。

发明内容

本发明目的在于解决现有基于超声传感器的机器人室内定位技术在拐角时，无法准确得到机器人位置的问题，提供一种基于里程计和超声传感器的移动机器人混合定位系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种基于里程计和超声传感器的移动机器人混合定位系统，包括测量模块10、定位模块20以及误差更新模块30；其中所述测量模块10由超声传感器101、里程计传感器102以及对应的A/D转换模块103组成，所述定位模块20由超声定位模块201、里程计定位模块以及混合定位模块组成；所述测量模块10用于使用超声传感器和里程计传感器获取相关模拟信号，经过A/D转换模块转为数字信号，传输至定位模块20；所述定位模块20用于根据传感器信号，使用超声定位模块和里程计定位模块分别计算当前机器人位置，并将计算结果输入混合定位模块进行判别到最终机器人位置；所述误差更新模块30用于动态地使用超声定位模块的结果调整里程计定位模块中的误差参数。

一种基于里程计和超声传感器的移动机器人混合定位方法，具体包括如下步骤：

S1，使用超声传感器测距结果计算当前机器人定位；

S2，使用里程计传感器测量结果计算当前机器人定位；

S3，根据两个计算结果进行混合定位。

其中，所述步骤S2使用里程计传感器测量结果计算当前机器人定位，包括以下步骤：

S21，获取当前左右驱动轮的位移信息；

S22，根据位移信息计算出机器人移动轨迹的圆弧角和位移；

S23，根据圆弧角和位移计算出机器人当前姿态。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

该方法在非拐角区域使用超声传感器进行定位，在拐角区域使用里程计技术进行定位，每隔一段时间使用超声传感器测距的准确结果，对当前里程计测量结果进行误差校正，以保证里程计测量结果时刻处于一个可控的误差范围，从而实现准确的混合定位。

附图说明

图1为基于超声传感器的移动机器人定位方法的示意图。

图2为本发明实施例的基于里程计和超声传感器的移动机器人混合定位系统的示意图。

图3为本发明实施例的基于里程计和超声传感器的移动机器人混合定位方法的流程图。

图4为本发明实施例的基于里程计定位使用的移动机器人运动学模型的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。

实施例1

参见图2，本发明的一种基于里程计和超声传感器的移动机器人混合定位系统，包括测量模块10、定位模块20以及误差更新模块30；其中所述测量模块10由超声传感器101、里程计传感器102以及对应的A/D转换模块103组成，所述定位模块20由超声定位模块201、里程计定位模块202以及混合定位模块203组成；所述测量模块10用于使用超声传感器101和里程计传感器102获取相关模拟信号，经过A/D转换模块103转为数字信号，传输至定位模块20；所述定位模块20用于根据传感器信号，使用超声定位模块201和里程计定位模块202分别计算当前机器人位置，并将计算结果输入混合定位模块203进行判别到最终机器人位置；所述误差更新模块30用于动态地使用超声定位模块201的结果调整里程计定位模块202中的误差参数。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明还提供一种基于里程计和超声传感器的移动机器人混合定位方法，参见图3，本具体实施例的一种基于里程计和超声传感器的移动机器人混合定位方法具体包括如下步骤：

S1，使用超声传感器测距结果计算当前机器人定位；

S2，使用里程计传感器测量结果计算当前机器人定位；

S3，根据两个计算结果进行混合定位。

其中，步骤S1具体为：设机器人所在位置坐标为(p_x,p_y)，给定三个世界坐标已知的角点P₁、P₂和P₃，三个角点的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)和(x₃,y₃)，超声传感器测得从机器人位置到角点的距离分别为d₁、d₂和d₃，可以其中任意两个角点(P₁、P₂)为圆心，以距离为半径画圆，求解公式1可得到两个交点位置O₁和O₂：

再使用另外两个角点(P₁、P₃)为圆心，再使用公式1进行计算即可得到准确的机器人坐标所在位置。

S2，使用里程计传感器测量结果计算当前机器人定位。具体过程为以下步骤：

S21，获取当前左右驱动轮的位移信息。使用安装在车轮上的光电码盘记录车轮的转数，进而根据车轮的直径和转数计算得出获得机器人相对于上一采样时刻位移的改变量。

S22，根据位移信息计算出机器人移动轨迹的圆弧角和位移。

参见图4，基于里程计定位使用的移动机器人运动学模型，W₁和W₂分别表示左右两个驱动轮。在两个驱动轮连线的中心建立移动机器人的坐标系O_mX_mY_m，其X轴方向从W₁到W₂，Y轴方向为移动机器人前进方向。在W₁和W₂旋转中心点建立旋转坐标系O_tX_tY_t，其各个坐标轴的方向取移动机器人坐标系各轴的方向。世界坐标系O_wX_wY_w建立在地面的某个固定点处。

参见图4，移动机器人的运动可以看做平移与旋转的组合，即第i个时刻，机器人位置从O_miX_miY_mi平移到O_ti后旋转α_i，在平移到位置O_m,i+1。假设在第i次采样时，移动机器人在世界坐标系中的位姿表示为：

其中，T_m,i表示第i次采样时，移动机器人在世界坐标系中的位姿矩阵表示；φ_i表示表示第i次采样时，移动机器人在世界坐标系中的方向角；p_x,i表示第i次 采样时，O_m在世界坐标系中的x轴坐标位置；p_y,i表示第i次采样时，O_m在世界坐标系中的y轴坐标位置。

在相对较短的时间内，移动机器人的运动距离较短，其运动轨迹可以看做直线或者圆弧。若两个驱动轮的运动距离不同，则运动轨迹可以看做一小段圆弧；若两个驱动轮的运动距离相同，则运动轨迹可以看做一小段直线。当运动轨迹为圆弧时，移动机器人的运动可以看做平移与旋转的组合。根据运动前移动机器人的位姿和运动轨迹，可以得到运动后(第i+1次采样时)移动机器人的位姿，表示为：

其中，l表示移动机器人两轮间距离，α_i表示第i和i+1次采样之间，移动机器人运动轨迹的圆弧角，r_i表示第i和i+1次采样之间W₁的运动轨迹在坐标系O_tX_tY_t中的X轴的坐标位置。

利用两个驱动轮的里程计信息，可以计算出移动机器人的轨迹参数(圆弧角α_i和平移距离r_i)。

S23，根据圆弧角和位移计算出机器人当前姿态。根据移动机器人的轨迹参数(圆弧角α_i和平移距离r_i)，导入到公式3，计算运动后(第i+1次采样时)移动机器人的位置。

S3，根据两个计算结果进行混合定位。具体过程为：

如果S1步骤中超声传感器接收到超过两个以上的角点反馈信号，则使用S1计算结果，并根据此结果修正S2步骤的计算误差；否则在S1计算结果的两个候选位置中，使用S2步骤的计算结果选择距离最近的一个候选位置，作为机器人所在准确位置。

Claims (3)

1.一种基于里程计和超声传感器的移动机器人混合定位系统，其特征在于，包括测量模块10、定位模块20以及误差更新模块30；其中所述测量模块10由超声传感器101、里程计传感器102以及对应的A/D转换模块103组成，所述定位模块20由超声定位模块201、里程计定位模块以及混合定位模块组成；

所述测量模块10用于使用超声传感器和里程计传感器获取相关模拟信号，经过A/D转换模块转为数字信号，传输至定位模块20；

所述定位模块20用于根据传感器信号，使用超声定位模块和里程计定位模块分别计算当前机器人位置，并将计算结果输入混合定位模块进行判别到最终机器人位置；

所述误差更新模块30用于动态地使用超声定位模块的结果调整里程计定位模块中的误差参数。

2.一种基于里程计和超声传感器的移动机器人混合定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，使用超声传感器测距结果计算当前机器人定位；

S2，使用里程计传感器测量结果计算当前机器人定位；

S3，根据两个计算结果进行混合定位。

3.根据权利要求1所述的基于里程计和超声传感器的移动机器人混合定位方法，其特征在于，所述步骤S2使用里程计传感器测量结果计算当前机器人定位，包括以下步骤：

S21，获取当前左右驱动轮的位移信息；

S22，根据位移信息计算出机器人移动轨迹的圆弧角和位移；

S23，根据圆弧角和位移计算出机器人当前姿态。