CN108489479A - 激光导航精确定位方法、机器人导航方法及激光导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光导航精确定位方法、机器人导航方法及激光导航系统，该方法将辅助定位装置根据一定规则放置在设定停止的位置附近，激光传感器扫描到辅助定位装置后，提取其数据并处理得到在AGV坐标系下两个板面的交线及其夹角的角平分线的位置，根据交线到AGV的距离与设定的预定距离判断是否停止，若交线到AGV的距离大于设定的预定距离，则根据AGV与两反射面的交线之间的距离，和与两反射面的夹角的角平分线之间的角度动态调整AGV的线速度和角速度，若否则停止，本发明的激光导航定位机器人精确定位方法能够使得定位精度达到正负1mm，并且实施简单、抗干扰性强、CPU占用率低，避免了设备成本和系统复杂度的增加。

Description

激光导航精确定位方法、机器人导航方法及激光导航系统

技术领域

本发明属于机器人导航技术领域，具体涉及一种激光导航精确定位方法、机器人导航方法及激光导航系统。

背景技术

机器人在移动时需要借助于导航技术，导航需要对机器人的位置进行定位。激光自主导航定位机器人的应用需求越来越多，但其定位精度一般在正负5cm左右，由于定位精度不高，严重制约了其在某些精度要求高的应用场合的应用，如机器人自动充电，机器人与其它自动化设备通过传送带或滚筒传送物料，机械手与机器人配合取放物料等。目前市场上针对该问题也有一些解决方案，如添加相机补光灯和二维码方案，添加惯性导航设备方案等，然而，虽然这些方案在一定程度上提高了精度，但是都增加了设备的成本和系统的复杂度，受环境影响大，而且定位精度提升有限，精度都无法达到正负5mm以内。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种定位精度高，且能够避免设备成本和系统复杂度增加的激光导航精确定位方法、机器人导航方法及激光导航系统。

本发明提供了一种激光导航精确定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，放置一个包含有两个相交的反射面的辅助定位装置,两个反射面的交线与地面垂直，设定停止的位置位于两个反射面形成的夹角的角平分线上，设定停止的位置位于所述辅助定位装置和安装有激光导航的运动装置之间且到所述辅助定位装置的两个反射面的交线预定距离，并在所述运动装置工作的地图上标记所述辅助定位装置的位置；

步骤2，提取激光传感器扫描到的位于地图上标记为所述辅助定位装置的位置一定范围的数据；

步骤3，基于预定的规则计算得到所述辅助定位装置两个反射面的交线的位置和所述辅助定位装置两个反射面形成的夹角的角平分线与所述运动装置的坐标系X轴之间的夹角，所述运动装置的坐标系的X轴为其运行速度的方向，所述运动装置的坐标系的Y轴为与其运行速度的方向垂直，方向为以X轴为参考的左向；

步骤4，判断所述运动装置与所述辅助定位装置两反射面的交线之间的距离，若距离大于步骤1中设定的所述预定距离，则进入步骤5，否则，进入步骤6；

步骤5，根据所述运动装置与所述辅助定位装置两反射面的交线之间的距离，和与所述辅助定位装置两反射面形成的夹角的角平分线之间的角度动态调整所述运动装置的线速度和角速度，激光传感器继续扫描，并提取激光传感器扫描到的步骤3中计算得到的辅助定位装置的位置一定范围的数据返回步骤3；

步骤6，所述运动装置停止在该位置处。

进一步，在本发明提供的激光导航精确定位方法中，还可以具有这样的特征：其中，在所述辅助定位装置的反射面朝向所述运动装置一侧的预定距离和角度范围内设置导航点，所述运动装置运行到所述导航点后，进入步骤2。

进一步，在本发明提供的激光导航精确定位方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述导航点到所述辅助定位装置两个反射面的交线的距离为1m～2m，且位于所述辅助定位装置两个反射面形成的夹角的角平分线两侧45度范围内。

进一步，在本发明提供的激光导航精确定位方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，计算所述辅助定位装置两个反射面的交线的位置和所述辅助定位装置两个反射面形成的夹角的角平分线与所述运动装置的坐标系的X轴之间的夹角的方法为：

采用坐标转换和改进的最小二乘法，首先剔除提取的激光传感器扫描的所述辅助定位装置位置一定范围的数据中不属于辅助定位装置的数据和辅助定位装置的噪声数据，然后拟合出两条相交的直线，计算两条直线的交点的坐标，并根据所述辅助定位装置两个反射面形成的夹角确定拟合出的两条相交的直线中属于所述辅助定位装置的角，计算该角的角平分线，最后，计算该角平分线与所述运动装置的坐标系的X轴之间的夹角。

进一步，在本发明提供的激光导航精确定位方法中，还可以具有这样的特征：其中，根据所述辅助定位装置的两反射面的长度剔除提取的激光传感器扫描的所述辅助定位装置位置一定范围的数据中不属于辅助定位装置的数据。

进一步，在本发明提供的激光导航精确定位方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述辅助定位装置包括两个折板，两个所述折板转动连接。

进一步，在本发明提供的激光导航精确定位方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述辅助定位装置两个反射面形成的夹角大于60度且小于160度。

进一步，在本发明提供的激光导航精确定位方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述辅助定位装置两个反射面形成的夹角为120度。

本发明还提供了一种机器人导航方法，其特征在于：导航时，对设定停止的位置采用上述的激光自主导航定位机器人精确定位方法进行定位。

本发明还提供了一种激光导航系统，其特征在于，包括：运动载体，用于在整个工作环境中移动；

辅助定位装置，包括两个相交的反射面，两个反射面的交线与地面垂直，两个所述反射面朝向所述运动载体设置，设定的停止位置位于两个所述反射面形成的角度的角平分线上，且所述设定的停止位置到两个所述反射面的交线预定距离；

激光传感器，用于扫描周围环境和所述辅助定位装置，安装在所述运动载体上；

存储器，安装在所述运动载体上，存储有辅助定位装置的两个反射面的长度、两个所述反射面的夹角、设定停止的位置到两个所述反射面的交线的预定距离、地图和辅助定位装置在地图中的位置；以及

处理器，安装在所述运动载体上，与所述激光传感器连接，根据所述激光传感器采集的数据采用SLAM算法进行定位导航，并根据所述激光传感器采集的所述辅助定位装置的数据进行局部精确定位。本发明的优点如下：

根据本发明所涉及的激光导航精确定位方法，因为辅助定位装置包含两个相交的反射面，两个反射面朝向运动装置且两个反射面的交线垂直于地面，设定停止的位置位于两个反射面形成的夹角的角平分线上，且到两个反射面的交线预定距离，激光传感器扫描到辅助定位装置后，提取辅助定位装置的数据并处理得到在运动装置坐标系下两个板面的交线及其夹角的角平分线的位置，根据交线到运动装置的距离与设定的运动装置设定停止的位置到交线的预定距离判断是否停止，若交线到运动装置的距离大于设定的运动装置设定停止的位置到交线的预定距离，则根据运动装置与两反射面的交线之间的距离，和与两反射面形成的夹角的角平分线之间的角度动态调整运动装置的线速度和角速度，直至交线到运动装置的距离小于等于设定的运动装置设定停止的位置到交线的预定距离，本发明的激光导航定位机器人精确定位方法能够使得定位精度达到正负1mm，并且实施简单、抗干扰性强、CPU占用率低，避免了设备成本和系统复杂度的增加。

本发明提供的机器人导航方法，因为采用激光导航定位机器人精确定位方法，因此，能够使得定位精度达到正负1mm，并且设备的成本低、系统的复杂度也低。

本发明提供的激光导航系统，因为在设定停止的位置附近预定位置处设置有辅助定位装置，激光传感器在采集到该辅助定位装置的数据后，处理器能够根据采集的数据进行处理，动态调整运动载体的线速度和角速度，从而能够使得运动载体精确的停止在设定停止的位置处，误差在正负1mm，并且设备的成本低、系统的复杂度也低。

附图说明

图1是本发明中激光导航精确定位方法的流程图；

图2是本发明中激光导航精确定位方法的逻辑图；

图3是本发明中辅助定位装置的结构示意图；

图4是图3另一角度的结构示意图；

图5是本发明中辅助定位装置的另一结构示意图；

图6是本发明中激光导航系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明激光导航精确定位方法、机器人导航方法及激光导航系统作具体阐述。

如图1所示，激光导航定位机器人精确定位方法100包括以下步骤：

步骤S1，放置一个包含有两个相交的反射面的辅助定位装置,两个反射面的交线与地面垂直，设定停止的位置位于两个的反射面形成的夹角的角平分线上，设定停止的位置位于辅助定位装置和安装有激光导航的运动装置之间且到辅助定位装置的两个的反射面的交线预定距离，并在运动装置工作的地图上标记辅助定位装置的位置。在本实施例中，安装有激光导航的运动装置为AGV。设定停止的位置为运动装装置的一个目标位置，比如在仓库情形下，该目标位置可能为运动装置的一个工作点，需要在该工作点停下进行工作。下述描述的安装有激光导航的运动装置均以AGV为例。

在本文本中，两个反射面的长度l和高度h定义如图3、图5所示。

在本实施例中，两个反射面的长度l可以相同，也可以不同，最优的，两个反射面的长度l相同。为了激光传感器扫描后，拟合直线时精确度高，并考虑到辅助定位装置的大小，最优的，两个反射面的长度l设定为20cm～25cm。两个反射面的高度只要保证激光传感器能够扫描到即可，考虑到AGV所处地面存在不是很平整的情况，以及适应不同高度的激光传感器的情况，两个反射面的高度一般在10cm～15cm。实际应用中可根据实际需求设计尺寸。

在本实施例中，如图3所示，辅助定位装置20包括两个折板21和22，两个折板21和22转动连接，两个折板21和22之间通过转动连接件转动连接，具体地，两个折板21和22之间通过合页连接，从而可以根据具体情况，调整两个折板21和22之间的夹角。

两个折板21和22的长度l可以相同，也可以不同，最优的，两个折板21和22的长度l相同。两个折板21和22的高度相同，使得激光传感器不论扫描辅助定位装置20任何高度处，均能扫描到两个折板。

最优的，转动连接件上还设置有限位件，在两个折板21和22转动到需要的角度后，限位件能够将其固定住，从而适用于不同应用环境空间的要求，普适性更广。具体的一种结构，如图4所示，图4仅为转动连接件23和两个折板21和22连接的简单示意图，转动连接件23上与两个折板21和22连接的部分均设置有多个凹槽231，两个折板21和22卡在不同的凹槽里面可以形成多个角度，当两个折板21和22卡在凹槽后，角度即固定，避免在使用时角度变化引起测量不准确。

在本实施例中，两个折板21和22为可拆卸连接，两个折板21和22的连接处设置有凸凹的螺纹柱，通过凸凹的螺纹柱连接，这样两个折板21和22可以紧密结合，不仅不影响定位效果，也可方便辅助定位装置20的运输、存放、携带、安装。

辅助定位装置20的结构也可以是这样，如图5所示，辅助定位装置20的结构为一个长方体切掉一个三棱柱，长方体中被切掉的三棱柱形成两个反射面21’和22’,两个反射面21’和22’相交，两个反射面21’和22’的交线垂直于地面。这种结构使得辅助定位装置20放置后更加稳定，不易倾倒。两个反射面21’和22’的长度l可以相同，也可以不同，最优的，两个反射面21’和22’的长度l相同，被切掉的三棱柱的一侧面为长方体的一个侧面，即图5中标注为m的尺寸为0。两个反射面21’和22’的高度相同，使得激光传感器不论扫描辅助定位装置20任何高度处，均能扫描到两个反射面。

上述两种辅助定位装置20也仅为本实施例中列举的两种方式，在本发明中，辅助定位装置20只要包含两个相交的反射面，两反射面的交线垂直于地面即可。

在本实施例中，辅助定位装置20的两个反射面之间的夹角为60度到160度之间，最优的，如图2所示，辅助定位装置20的两个反射面之间的夹角为120度。

在本实施例中，为了两个反射面能够对激光进行良好的漫反射，在两个反射面上涂上一层能够对激光进行良好漫反射的涂层，或者粘贴能够对激光进行良好漫反射粘贴物。最优的，在两个反射面上粘贴白纸，不仅能够起到良好的漫反射，使得激光传感器采集到良好的测量数据，而且价格低廉。

在本实施例中，如图2所示，两个反射面的交线到AGV设定停止的位置的预定距离为d1，d1＝d2+d3。两个反射面中长度l较长的反射面的一边，该边与两反射面的交线平行且与交线相对，该边到两个反射面形成的夹角的角平分线的交点为O，两个反射面的交线到O点的距离为d2,d2的长度根据两个反射面的夹角和反射面的长度l可以计算得到，O点到AGV设定停止的位置的距离为d3，d3的距离为1cm～60cm。

步骤S2，提取激光传感器扫描到的位于地图上标记为辅助定位装置20的位置一定范围的数据。由于激光传感器扫描的范围很大，而辅助定位装置20仅为其中部分数据，因此，根据地图中辅助定位装置20的位置，提取该位置处一定范围的数据(该范围至少完全包含了辅助定位装置20)，可以提高稳定性并降低计算量。

在本实施例中，在辅助定位装置20的反射面朝向AGV一侧的预定距离和角度范围内设置导航点，AGV运行到该导航点后，开始提取激光传感器扫描到的位于地图上标记为辅助定位装置20的位置一定范围的数据。具体的，导航点到辅助定位装置20两个反射面的交线的距离为1m～2m，且位于辅助定位装置20两个反射面形成的夹角的角平分线两侧45度范围内。

步骤3，基于预定的规则计算得到辅助定位装置两个反射面的交线的位置和辅助定位装置两个反射面形成的夹角的角平分线与AGV坐标系的X轴之间的夹角。其中，如图2所示，AGV坐标系的X轴为AGV运行速度v的方向，AGV坐标系的Y轴为与AGV运行速度v的方向垂直，方向为以X轴为参考的左向,以图2的方向看，Y轴垂直于AGV运行速度v朝上。

在本实施例中，计算辅助定位装置两个反射面的交线的位置和辅助定位装置两个反射面形成的夹角的角平分线与AGV坐标系的X轴之间的夹角的方法为：

采用坐标转换和改进的最小二乘法，首先剔除提取的激光传感器扫描的所述辅助定位装置位置一定范围的数据中不属于辅助定位装置的数据和辅助定位装置的噪声数据，然后拟合出两条相交的直线，计算两条直线的交点的坐标，并根据所述辅助定位装置两个反射面形成的夹角确定拟合出的两条相交的直线中属于所述辅助定位装置的角，计算该角的角平分线，最后，计算该角平分线与AGV坐标系的X轴之间的夹角。

具体的，在采用坐标转换和改进的最小二乘法剔除提取的辅助定位装置位置一定范围的数据中不属于辅助定位装置的数据时，还需根据辅助定位装置20的两反射面的长度l来进行判断剔除，根据两反射面的长度l可以知道提取的数据中属于反射面的数据的长度，从而方便剔除不属于辅助定位装置的数据。

步骤S4，判断AGV此时所处的位置与辅助定位装置两反射面的交线之间的距离，若距离大于步骤1中设定的所述AGV设定停止的位置到辅助定位装置的两个的反射面的交线预定距离d1，则进入步骤5，否则，进入步骤6。

步骤S5，根据AGV与辅助定位装置两反射面的交线之间的距离，和与辅助定位装置两反射面形成的夹角的角平分线之间的角度动态调整AGV的线速度和角速度，激光传感器继续扫描，并提取激光传感器扫描到的步骤3中计算得到的辅助定位装置的位置一定范围的数据返回步骤3。

步骤S6，AGV停止在该位置处。

一种机器人导航方法，导航时，对设定停止的位置采用激光导航定位机器人精确定位方法100进行定位。

如图6所示，一种激光导航系统200包含：辅助定位装置20、运动载体30、激光传感器50、存储器60、处理器70。其中，运动载体30、激光传感器50、存储器60和处理器70为图2中的AGV10。

如图2、图3、图5所示，辅助定位装置20包括两个相交的反射面，两个反射面的交线与地面垂直，两反射面朝向运动载体30设置，设定的停止位置400位于两个反射面形成的角度的角平分线上，且设定的停止位置到两个反射面的交线预定距离，该预定距离如图2中所示d1。

运动载体30用于在整个工作环境中移动。

激光传感器50用于扫描周围环境和辅助定位装置，安装在运动载体30上。

存储器70安装在运动载体30上，存储有辅助定位装置20的两个反射面的长度、两个反射面的夹角、设定停止的位置到两个反射面的交线的预定距离、地图和辅助定位装置在地图中的位置。

处理器70安装在运动载体30上，与激光传感器50连接，根据所述激光传感器采集的数据采用SLAM算法进行定位导航，并根据所述激光传感器采集的所述辅助定位装置的数据进行局部精确定位。

在本实施例中，还设置有导航点80，当运动载体30运行到导航点80后，处理器70开始提取辅助定位装置20的数据并进行精确定位。

具体实施过程为：

运动载体30在工作环境中运行时，根据激光传感器50采集的数据采用SLAM算法进行定位导航，当运动载体30运行到导航点80后，开始进行精确定位，处理器70对激光传感器采集的辅助定位装置数据进行处理得到运动载体到辅助定位装置两个反射面的交线的距离和辅助定位装置两个反射面形成的夹角的角平分线与AGV坐标系的X轴之间的夹角，并根据计算出的该距离和夹角动态调整运动载体的角速度和线速度，根据运动载体30与辅助定位装置20两反射面的交线之间的距离与设定停止的位置到辅助定位装置20两反射面的交线之间的距离的大小判断是否停止运行。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光自主导航定位机器人精确定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，放置一个包含有两个相交的反射面的辅助定位装置,两个反射面的交线与地面垂直，设定停止的位置位于两个反射面形成的夹角的角平分线上，设定停止的位置位于所述辅助定位装置和安装有激光导航的运动装置之间且到所述辅助定位装置的两个的反射面的交线预定距离，并在所述运动装置工作的地图上标记所述辅助定位装置的位置；

步骤2，提取激光传感器扫描到的位于地图上标记为所述辅助定位装置的位置一定范围的数据；

步骤3，基于预定的规则计算得到所述辅助定位装置两个反射面的交线的位置和所述辅助定位装置两个反射面形成的夹角的角平分线与所述运动装置的坐标系X轴之间的夹角，所述运动装置的坐标系的X轴为其运行速度的方向，所述运动装置的坐标系的Y轴为与其运行速度的方向垂直，方向为以X轴为参考的左向；

步骤4，判断所述运动装置与所述辅助定位装置两反射面的交线之间的距离，若距离大于步骤1中设定的所述预定距离，则进入步骤5，否则，进入步骤6；

步骤5，根据所述运动装置与所述辅助定位装置两反射面的交线之间的距离，和与所述辅助定位装置两反射面形成的夹角的角平分线之间的角度动态调整所述运动装置的线速度和角速度，激光传感器继续扫描，并提取激光传感器扫描到的步骤3中计算得到的辅助定位装置的位置一定范围的数据返回步骤3；

步骤6，所述运动装置停止在该位置处。

2.根据权利要求1所述的激光自主导航定位机器人精确定位方法，其特征在于：

在所述辅助定位装置的反射面朝向所述运动装置一侧的预定距离和角度范围内设置导航点，所述运动装置运行到所述导航点后，进入步骤2。

3.根据权利要求2所述的激光自主导航定位机器人精确定位方法，其特征在于：

其中，所述导航点到所述辅助定位装置两个反射面的交线的距离为1m～2m，且位于所述辅助定位装置两个反射面形成的夹角的角平分线两侧45度范围内。

4.根据权利要求1所述的激光自主导航定位机器人精确定位方法，其特征在于：

步骤3中，计算所述辅助定位装置两个反射面的交线的位置和所述辅助定位装置两个反射面形成的夹角的角平分线与所述运动装置的坐标系的X轴之间的夹角的方法为：

采用坐标转换和改进的最小二乘法，首先剔除提取的激光传感器扫描的所述辅助定位装置位置一定范围的数据中不属于辅助定位装置的数据和属于辅助定位装置的噪声数据，然后拟合出两条相交的直线，计算两条直线的交点的坐标，并根据所述辅助定位装置两个反射面形成的夹角确定拟合出的两条相交的直线中属于所述辅助定位装置的角，计算该角的角平分线，最后，计算该角平分线与所述运动装置的坐标系的X轴之间的夹角。

5.根据权利要求4所述的激光自主导航定位机器人精确定位方法，其特征在于：

根据所述辅助定位装置的两反射面的长度剔除提取的激光传感器扫描的所述辅助定位装置位置一定范围的数据中不属于辅助定位装置的数据。

6.根据权利要求1所述的激光自主导航定位机器人精确定位方法，其特征在于：

其中，所述辅助定位装置包括两个折板，两个所述折板转动连接。

7.根据权利要求1或6所述的激光自主导航定位机器人精确定位方法，其特征在于：

其中，所述辅助定位装置两个反射面形成的夹角大于60度且小于160度。

8.根据权利要求7所述的激光自主导航定位机器人精确定位方法，其特征在于：

其中，所述辅助定位装置两个反射面形成的夹角为120度。

9.一种机器人导航方法，其特征在于：导航时，对设定停止的位置采用权利要求1至8任一权利要求所述的激光自主导航定位机器人精确定位方法进行定位。

10.一种激光导航系统，其特征在于，包括：

运动载体，用于在整个工作环境中移动；

辅助定位装置，包括两个相交的反射面，两个反射面的交线与地面垂直，两个所述反射面朝向所述运动载体设置，设定的停止位置位于两个所述反射面形成的角度的角平分线上，且所述设定的停止位置到两个所述反射面的交线预定距离；

激光传感器，用于扫描周围环境和所述辅助定位装置，安装在所述运动载体上；

存储器，安装在所述运动载体上，存储有辅助定位装置的两个反射面的长度、两个所述反射面的夹角、设定停止的位置到两个所述反射面的交线的预定距离、地图和辅助定位装置在地图中的位置；以及

处理器，安装在所述运动载体上，与所述激光传感器连接，根据所述激光传感器采集的数据采用SLAM算法进行定位导航，并根据所述激光传感器采集的所述辅助定位装置的数据进行局部精确定位。