CN108369418B

CN108369418B - 用于自主车辆的虚拟线路跟随和改进方法

Info

Publication number: CN108369418B
Application number: CN201580083264.0A
Authority: CN
Inventors: P.拉蒙; N.托马蒂斯; G.特里恩; Y.让诺塔
Original assignee: Lamborghini Technology Co ltd
Current assignee: Lamborghini Technology Co ltd
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2021-09-21
Anticipated expiration: 2035-09-22
Also published as: WO2017050357A1; DK3167342T3; CN108369418A; US10725471B2; ES2667850T3; HUE038430T2; EP3167342A1; JP2018527689A; PL3167342T3; EP3167342B1; JP6863991B2; US20180267542A1

Abstract

一种用于在工作空间（10）内的虚拟路径（31、32、33）上移位移动机器人（20）的方法，包括生成合成偏移量，所述合成偏移量指示移动机器人的瞬时位置与虚拟路径（31、32、33）之间的横向移位。该方法还可以包括生成虚拟标签并且可以用于线路跟随类型的自主车辆的改进或升级中。

Description

用于自主车辆的虚拟线路跟随和改进方法

技术领域

本发明在实施例中涉及自主车辆，比如但不排他地为轮式机器人车辆。

背景技术

自主机器人车辆是能够在没有持续人力支持的情况下以自由方式在环境内航行以执行期望任务的自推进设备。已经在非常不同的领域中开发了机器人车辆的多种应用，除其他之外尤其包括仓库、工厂、医院、核电站和矿山。

在已知的应用中，自主机器人包括能够分析机器人位于其中的环境的一个或多个传感器。传感器可以包括比如例如雷达、激光测距仪或声学测距仪的测距传感器、保险杠、机械探测器、立体摄像机、加速度计、陀螺仪、指南针、倾斜计、高度计或其他环境传感器。本文档将在不丧失一般性的情况下主要涉及激光扫描仪，意图是本发明可以基于不同原理而考虑使用其他合适的传感器。

在映射过程中使用传感器，旨在创建机器人注定要向其中操作的环境的表示。通常，机器人由操作者在环境中手动驱动，而传感器记录环境中的地标的位置和/或范围。然后，通过若干种已知方法从如此收集（通常借助于测程数据）的数据生成环境的映射图。

还已知在车辆在映射图中的定位中使用传感器，这是机器人在映射图上的当前位置和定向的确定。这可以通过单独的内部测程数据来实现，如果已知初始定位（航位推算法）或者优选地通过测程和测距数据的组合。位置和定向的组合被称为机器人的“姿势”，并且在2D运动的情况下可以由一对笛卡尔坐标和一个航向角来表示。

传感器也被用作安全设备以防止碰撞或使其严重性最小化：许多自主车辆为此目的配备有全向激光扫描仪：扫描仪被编程为生成碰撞警报，其使得车辆在给定的安全范围内检测到障碍物时停止。更复杂的障碍物管理策略也是可能的，由此机器人可以觉知移动的障碍物（即人、其他机器人、最初未映射的或已经从其原始映射位置移动的物体），并采取适当措施来防止相撞。

也已知的是线路跟随车辆即不具有复杂的定位和/或导航能力的车辆而是被布置为跟随物理线路，例如埋地感应线缆或涂在地板上的线路。这些车辆包括线路传感器，该线路传感器生成由传感器与线路的中心之间的距离所确定的偏移量信号。机器人通过控制回路跟随线路，其使偏移量最小化同时以给定速度前进。

线路跟随车辆可以以有限的方式通过沿着线路放置适当的标签（例如条形码或感应式RFID标签）来编程。标签对用于机器人的指令进行编码，包括例如加速、减速和停止的速度命令、切换交叉的两个不同分支上的各个车辆的交换命令等。

虽然线路跟随车辆出于其经济性和耐用性受到欣赏，但修改其任务需要物理地移动线路和相关联的标签，这是非常繁琐、耗时且昂贵的。

发明内容

因此，本发明的目的是提出使用简单导航控制系统但可以以灵活方式编程的设备。本发明还提出了导航方法和改进现有机器人的方法。这些目的是通过对应类别中的独立权利要求的目标来实现的，而从属权利要求涉及有利但可选的特征。

附图说明

本发明将借助于以示例的方式给出并由附图图示的实施例的描述而更好地理解，其中：

图1示意性地示出了机器人向其中操作的环境的平面图，其中线路对应于可能的机器人任务。

图2示意性地并且以简化的形式图示了根据本发明的一方面的机器人的可能结构。

图3是根据本发明的一方面的方法的流程图表示。

具体实施方式

图2示意性地示出了根据本发明的一方面的机器人车辆20的可能结构。必须理解的是，这是概念性表示，并不反映工业产品的所有特征。车辆被示出为呈现示例（三轮车配置），但并不意图本发明限于该运动系统。本发明实际上可以应用于无论什么配置的任何自主机器人。

机器人的推进通过由电机23驱动的电动轮27来确保，而第二电机或致动器29被用于通过确定转向角α来引导车辆。在大多数情况下，由于机器人在二维工作空间中移动，所以针对导航将需要至少两个独立的电机或致动器。然而，本发明适用于具有任何数量的电机或致动器的系统以及单维、二维或三维工作空间。

电机23 29由生成必要的功率信号的驱动单元驱动。驱动单元51可以属于适于线路跟随机器人的种类，其被布置用于在移动机器人以给定速度前进时控制电机以便使横向偏移量最小化。

机器人20还包括传感器21，其提供关于机器人在其工作空间中的位置的至少一定程度的信息。在本示例中，传感器是360°激光扫描仪。这样的设备通常出于安全和定位目的而用于移动机器人中，并且可从许多制造商获得。可以用作传感器的其他设备包括声学测距仪、雷达、光学3D扫描仪、触觉传感器、无线电接收器和立体摄像机，但该列表并非详尽的。由传感器21生成的数据通过定位单元53与从转向轮和/或后轮26收集的测程信息融合，所述定位单元53实时地生成机器人的姿势的估计，包括例如两个线性坐标x、y和偏航角θ。

除了电机23、29之外，大多数机器人还包括完成其特定任务所必需的其他致动器和换能器57，比如例如叉式升降机、用于清洗或清洁地板的工具、用于切割草的刀片、监控摄像机、适于抓握的手臂、或其他。传感器可以由驱动单元51（如所表示的）或由另一个控制器部件来控制。

机器人应在工作空间中跟随的路径31（参见图1）事先已经通过任何合适的方法定义，并且存储在可由路径跟随模块55访问的存储器中。路径是遵守所有映射图约束（比如墙壁65和物体60）将起点A联结到目的地点B的假想线路。计算模块从定位单元接收瞬时定位数据（x，y，θ），并合成表示路径线路和机器人20的中心或另一合适参考点之间的横向距离的偏移量值。

根据情况适当地编码为电数字或模拟信号的偏移量值可以被馈送到驱动单元51，驱动单元51使用其来转向机器人，以致使与路径线路的偏移量最小化。在非常简单的实现中，当偏移量的符号指示路径在右侧上时，驱动单元简单将转向轮转向那一侧，并且反之，则向左。然而，更先进的控制策略也是可能的。

重要地，本发明的导航方法也可以用于升级或改进不具有完整的定位和导航套件的线路跟随机器人。出于安全的目的，这样的机器人通常包括也可以用于定位的激光器或另一个传感器，并且其驱动单元被配置为响应于由线路传感器24生成的偏移量信号。线路传感器被断开，并且给予驱动单元由路径跟随单元55合成的偏移量信号而不是由物理线路导出的偏移量信号。以这种方式，机器人的路径可以完全由改变由路径跟随单元55使用的数据的软件重新编程，其中对机器人的硬件具有最小干预。

本发明不仅允许容易地改变预定路径，而且它也允许根据需要动态地改变路径。例如，控制系统可以检测到路径31不可行，并且重新编程路径跟随单元55的数据以作为代替将机器人发送到替代路径32上。

另一个优点是路径交叉和分支现在是可能的而不具有限制。在传统的线路跟随系统中，交叉和分支需要指令车辆其必须跟随在哪个分支上的特殊标签。在本发明中，每个机器人跟随由其路径跟随单元55已知的特殊虚拟路径，并且不需要特殊的交叉管理。

尽管本讨论涉及比如定位模块53、路径跟随单元55等的功能实体，但重要的是理解这些不需要必需通过可区分和分离的多件硬件来体现。这样的功能可以在不离开本发明的范围的情况下通过软件部件部分地或全部地实现，并且它们可以在它们之间或与其他功能单元共享资源。

沿着路径移动机器人不仅需要控制沿着路径的位置，而且例如还要管理机器人的速度。这传统地在线路跟随机器人中通过将标签放置在由机器人中的合适的标签读取器25所读取的路径的合适点处实现。在本发明的框架中，标签也是虚拟的，标签读取器被断开或省略，并且路径跟随单元55在适当的时刻和位置处合成用于驱动单元51的标签信号，以便获得期望的速度简档（profile）。标签可以用于指定恒定速度、加速或减速斜坡、或其他动作，包括向机器人的致动器和传感器57发送命令。

在一些情况下，当机器人经过预定位置之上时可以生成标签，由此确切地重复物理标签的功能，除了需要将标签粘贴或固定就位之外。

更有利的是，本发明可以不仅基于即时位置而且还基于机器人的动态条件和虚拟路径的即将到来的部分而自动生成标签。系统可以被编程为例如通过对施加在车辆上的横向和纵向加速度施加阈值来在急转弯或制动点之前自动合成减慢速度标签40，并且在转弯之后自动合成加快速度标签45。标签生成基于虚拟路径的随后部分，而不仅基于瞬时位置。例如，减速标签43将仅针对跟随路径33的车辆而不针对在路径31或32上的那些车辆而生成。在目的地点之前自动插入减慢速度和停止标签41。路径的形状的任何变化都会自动使对应的标签移动到适当的新位置中。

在可能的变型中，路径跟随单元55生成指定逐渐增大或减小速度的一系列标签，以便获得速度斜坡。虚拟标签的自动生成实际上使得能够实时地完全控制车辆的速度。如果驱动单元51能够处理指定加速或减速斜坡的标签，则路径跟随单元55将生成针对该目的的一个单个标签。本发明还包括其中前进速度可以被直接且实时地传达到驱动单元51的变型。在这种情况下，可以在任何需要的时候获得加速和减速斜坡而不生成虚拟标签。仍然可以生成使车辆改变其速度的虚拟标签，如果方便的话，例如为了与传统系统的兼容性。

图3图示了本发明方法的可能结构。流程图指示了由路径跟随单元55执行的步骤和发生在驱动单元51中的那些步骤。

路径跟随单元55接收由定位单元生成的位置数据（步骤71）并且生成与车辆和虚拟路径之间的距离对应的偏移量（步骤72）。虚拟路径已经在图中未指示的先前计划过程中定义。由驱动单元接收偏移量（步骤82），该驱动单元转向车辆以便减小偏移量。该图图示了非常简单的方法，但在实际实现中，控制方案可以更先进得多。

在步骤73中，路径跟随单元考虑路径的即将到来的部分并且预测机器人将需要执行的动作。如果应以给定速度跟随路径，则路径跟随单元55可以计算车辆的加速度。然后对照针对纵向加速度a_l和横向加速度a_t定义的阈值检查加速度。如果一个加速度超过阈值，由于其可能是如果路径预见到急转弯或硬制动的情况，则路径跟随单元55将起作用以确保机器人的速度被降低到更安全的值。相反，当离开转弯时或当需要机器人仅缓慢前进的情况结束时，路径跟随单元将采取使机器人加快速度。以相同的方式，路径跟随单元可以预见并布置叉式升降机或另一致动器57的致动。

当存在合适的接口时机器人的动作可以由路径跟随单元55直接命令，或者如图3所示由改变速度或执行命令（步骤86）的驱动单元接收的一个或若干个虚拟标签的生成（步骤75）所引起（步骤85）。

附图标记

A 起点

B、C 终点

α 转向角

x，y，θ 车辆的姿势

10 工作空间

20 机器人车辆

21 激光扫描仪

23 牵引电机

24 线路传感器

25 标签传感器

26 后轮

27 转向和动力轮

29 转向电机

31 路径

32 替代路径

33 第二路径

40 虚拟标签：减慢速度

41 虚拟标签：停止

43 虚拟标签：减慢速度

45 虚拟标签：加快速度

51 电机驱动

53 定位

55 路径跟随模块

57 致动器和/或传感器

60 物体

65 墙壁

71 定位

72 合成偏移量的生成

73 a_t和a_l的预测

74 阈值以上的加速度的测试

75 虚拟标签的生成

82 合成偏移量的接收

85 虚拟标签的接收

86 速度的改变。

Claims

1.一种用于在工作空间（10）内的虚拟路径（31、32、33）上移位移动机器人的方法，所述虚拟路径是从起点（A）延伸到终点（B）的移动机器人必须跟随的假想线路，所述方法包括以下步骤：

将机器人定位在起点（A）上并发起机器人在行进路径上的航行，所述行进路径对应于位于起点（A）和终点（B）之间的连续行进位置的组合；

在航行期间，通过定位过程来确定移动机器人在环境中的瞬时位置或姿势（x，y，θ）；

在机器人在行进路径上的移位期间，动态地确定指示移动机器人的瞬时位置与所述虚拟路径（31、32、33）之间的横向移位的偏移量；

在移动机器人以给定速度前进时，控制机器人在行进路径上的移位以便使所述偏移量最小化，

其中虚拟标签（40）在沿着所述虚拟路径（31）的取决于所述虚拟路径的连续部分中的加速度的位置处自动生成。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述虚拟路径上生成至少一个虚拟标签（40、45、43、41），所述虚拟标签是与对机器人的指令相关联的假想位置，并且在机器人的移位期间，确定当机器人骑在所述虚拟标签（40、45、43、41）之上时的标签越过时刻，并且在所述标签越过时刻处执行所述指令。

3.根据权利要求2所述的方法，包括生成使得移动机器人加速和/或减速的命令或虚拟标签。

4.根据权利要求2所述的方法，包括生成使得移动机器人操作致动器的命令或虚拟标签。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括映射操作。

6.一种改进或升级自动线路跟随车辆并增加跟随假想虚拟路径（31、32、33）的能力的方法，其中车辆具有线路传感器（24）、运动致动器（27、29）和驱动单元（51），所述驱动单元接收来自所述线路传感器（24）的信号并且被适配用于驱动所述致动器（27、29）以致使所述线路保持在所述线路传感器（24）的中间；所述方法包括：提供定位单元（53），所述定位单元（53）被布置用于确定车辆的位置或姿势（x，y，θ）；提供路径跟随单元（55），所述路径跟随单元（55）被布置用于确定指示移动机器人的瞬时位置与所述虚拟路径（31、32、33）之间的横向移位的量度的偏移量并且基于所述偏移量来合成虚拟线路传感器输出信号；将所述虚拟线路传感器输出提供给所述驱动单元（51）。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述定位单元（53）基于传感器数据和测程数据来确定车辆的位置或姿势（x，y，θ），所述传感器数据由来自如下项的一个或多个设备获得：激光扫描仪（21）、超声波测距仪、雷达、立体摄像机、触觉传感器、无线电接收器、指南针、陀螺仪、加速度计、高度计、倾斜计或其他环境传感器。

8.根据权利要求6所述的方法，还包括：在所述虚拟路径上生成至少一个虚拟标签（40、45、43、41），所述虚拟标签是与对机器人的指令相关联的假想位置，并且在机器人的移位期间，确定当机器人骑在所述虚拟标签（40、45、43、41）之上时的标签穿越时刻，并且在所述标签穿越时刻处执行所述指令。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述虚拟标签（40）在沿着所述虚拟路径（31）的取决于所述虚拟路径的连续部分中的加速度的位置处自动生成。

10.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，包括生成使得移动机器人加速和/或减速的命令或虚拟标签。

11.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，包括生成使得移动机器人操作致动器的命令或虚拟标签。

12.根据权利要求6所述的方法，包括生成使得移动机器人加速和/或减速的命令或虚拟标签。

13.根据权利要求6所述的方法，包括生成使得移动机器人操作致动器的命令或虚拟标签。

14.一种被配置为在工作空间（10）内的虚拟路径（31、32、33）上移位的移动机器人，所述虚拟路径是从起点（A）延伸到终点（B）的移动机器人应跟随的假想线路，所述机器人包括：

- 驱动单元（51），其驱动移位机器人的电机和/或致动器（27、29）；

- 定位单元（53），其被布置用于确定移动机器人的瞬时位置或姿势（x，y，θ）；

- 路径跟随单元（55），其被设计用于动态地确定指示移动机器人的瞬时位置与所述虚拟路径之间的横向移位的可变偏移量；

- 所述驱动单元（51）被布置用于在移动机器人以给定速度前进时控制电机和/或致动器（27、29）以便使所述偏移量最小化，

15.根据权利要求14所述的机器人，还包括来自如下项的至少一个或多个设备：激光扫描仪（21）、超声波测距仪、雷达、立体摄像机、触觉传感器、无线电接收器、指南针、陀螺仪、加速度计、高度计、倾斜计或其他环境传感器，所述定位单元（53）基于传感器数据和/或测程数据来确定机器人的位置。

16.根据权利要求14或15所述的机器人，其中所述路径跟随单元可操作地被布置用于在所述虚拟路径上生成至少一个虚拟标签（40、45、43、41），所述虚拟标签是与对机器人的指令相关联的假想位置，并且在机器人的移位期间，确定当机器人骑在所述虚拟标签（40、45、43、41）之上时的标签越过时刻，并且在所述标签越过时刻处执行所述指令。