CN108693875B - 一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置及其导向方法 - Google Patents

一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置及其导向方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置，包括车身、控制部分、驱动部分、图像采集部分和激光模组部分；驱动部分设置在车身底部并用于驱动车身的运动和转向，所述激光膜组部分设置在车身前方并用于向车身前方的瓦楞状轨道上发射出激光，所述图像采集部分用于采集车身前方激光模组部分发出的激光照射在瓦楞状轨道上的线形激光形成的图像；所述控制部分设置在车身上并用于控制驱动部分、图像采集部分和激光模组部分的工作；本机器人导向装置设计合理，使用方便，实现机器人在瓦楞状导轨上高精度自动导向，减小环境光的影响，使得机器人避免在沿导轨行驶时碰触轨道突起部分，通过激光增强辩识度，实现高精度导向。

Description

一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置及其导向方法
技术领域
本发明涉及机器人自动导航领域，更具体的说，尤其涉及一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置及其导向方法。
背景技术
在当代，机器人技术发展迅速，各种机器人层出不穷，越来越多的机器人不断代替人们应用于各种环境复杂、危险程度高、劳动强度大的工作领域，实现自动化并使之高效工作，其中，机器人导航技术是关键的技术之一。
现有的最普通的机器人导航装置便是使用固定的轨道，使机器人按照固定的轨道来形式，从而使机器人始终位于最准确的位置，但是这种方式必须预先铺设好轨道，成本非常高，并不适用于大多数情况。对于机器人沿瓦楞状轨道进行形式时，通常使用的方法在机器人上设置于瓦楞状轨道上的条形凸起部分相配合的导向装置，以实现其沿瓦楞状轨道的导向，然而这种导向方式过渡一来瓦楞状轨道的形状，每一种机器人只能适用于一种瓦楞状的轨道，极大的增加了机器人使用的局限性。
因此，现阶段，特别需要设计一种非接触式导向装置，实现机器人在瓦楞状轨道，例如瓦楞状轨道上高精度自动导向，并能够减小环境光的影响，使机器人在沿着瓦楞状轨道形式时始终不会触碰到轨道的凸起部分。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的导向装置无法实现瓦楞状轨道上非接触导航从而导致的成本高、适应性低的问题，提出了一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置及其导向方法，能够适用于机器人在瓦楞状轨道上的运动，通过激光增强辨识度，并实现高精度的自动导航。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置，包括车身、控制部分、驱动部分、图像采集部分和激光模组部分；驱动部分设置在车身底部并用于驱动车身的运动和转向，所述激光膜组部分设置在车身前方并用于向车身前方的瓦楞状轨道上发射出激光，所述图像采集部分用于采集车身前方激光模组部分发出的激光照射在瓦楞状轨道上的线形激光形成的图像；所述控制部分设置在车身上并用于控制驱动部分、图像采集部分和激光模组部分的工作；
所述驱动部分包含驱动器、前轮、后轮、前轴承座、后轴承座、链条、主动链轮、从动链轮、前轴、后轴、减速器和步进电机，所述驱动器放置在车身上，驱动电机连接步进电机并驱动步进电机的运动，所述步进电机放置在车身底部，步进电机的输出轴通过减速器连接主动链轮，所述主动链轮通过链条连接从动链轮，所述从动链轮设置在后轴上，所述后轴连接后轮且通过后轴承座固定在车身上；所述前轮连接在前轴上，前轴通过前轴承座固定在车身上；
所述激光模组部分包含一个一字激光模组支架和一个一字激光模组，一字激光模组分别通过一字激光模组支架安装在车身前端的中部，一字激光模组支架上设置有可以调整一字激光模组竖直方向和水平方向角度的旋转机构；
所述图像采集部分包含面阵CCD摄像头支架和面阵CCD摄像头；所述面阵CCD摄像头通过面阵CCD摄像头支架固定在车身前端中部，且两个一字激光模组支架对称设置在面阵CCD摄像头支架的两侧；
所述面阵CCD摄像头支架设置在一字激光模组支架的前方，且一字激光模组支架的高度高于面阵CCD摄像头支架的高度，一字激光模组设置在面阵CCD摄像头的上方。
进一步的，驱动部分的步进电机设置有两个，分别用于两个前轮的独立驱动。
进一步的，还包括旋转机构，所述旋转机构包括旋转轴、连接臂和旋转盘，连接臂的一端连接旋转臂的中部，旋转轴上设置有连接臂相配合的螺纹孔，连接臂的另一端设置有外螺纹，连接臂通过外螺纹与螺纹孔的配合安装在旋转轴上，所述旋转轴的两端连接在一字激光模组支架且旋转轴与一字激光模组支架间隙配合。
进一步的，所述减速器为行星减速器。
一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置的导向方法，使用上述非接触式导轨导向装置来实现，包括如下步骤：
(1)打开一字激光模组，调整激光模组部分的旋转机构，使一字激光模组发射出线形激光投射在瓦楞状轨道上；
(2)面阵CCD摄像头拍摄车身前方的图像，并将步骤(1)中激光模组发射激光在瓦楞状轨道上的线形激光拍摄进图像内，面阵CCD摄像头拍摄到的图像包括激光投射在瓦楞状轨道凸起部分和轨道部分的线形激光形成的线条；
(3)面阵CCD摄像头采集到的图像传送至控制部分，由控制部分对图像中的激光线条进行处理；首先以图像下边界的中点为原点建立直角坐标系，并拟合线形激光投射在瓦楞状轨道上的线段方程，线形激光投射在瓦楞状轨道上的线段由第一线段、第二线段、第三线段、第四线段、第五线段、第六线段、第七线段、第八线段、第九线段，其中第一线段、第二线段、第三线段、第八线段、第九线段皆为水平直线线段，其中第一线段、第二线段、第三线段共线并处于瓦棱状轨道凹面，第八线段、第九线段共线并处于瓦棱状轨道凸起部分顶面，第四线段、第五线段、第六线段和第七线段为倾斜直线线段处于瓦棱状轨道凸起部分的侧面，第三线段的两端分别连接第四线段和第五线段的一个端点，第八线段的两端分别连接第六线段和第四线段的一个端点，第九线段连接第七线段和第五线段的一个端点，第一线段的右端连接第六线段的一端，第二线段的左端连接第七线段的一端；
设第一线段的右端点为F(x5,y5)，第二线段的左端点为G(x6,y6)，由第一线段、第二线段、第三线段共同拟合生成第一直线的方程：
y＝k1x+b1
其中k1为第一直线方程的斜率，b1为第一直线方程的截距；
由第四线段拟合出第二直线的方程：
y＝k2x+b2
其中k2为第二直线方程的斜率，b2为第二直线方程的截距；
由第五线段拟合出第三直线的方程：
y＝k3x+b3
其中k3为第三直线方程的斜率，b3为第三直线方程的截距；
(4)结合第一直线、第二直线和第三直线的方程，计算出第一直线与第二直线的交点A(x12,y12),第一直线与第三直线的交点B(x13,y13)；
其中，A(x12,y12)的计算公式为：
B(x13,y13)的计算公式为：
(5)结合点A、点B、点F和点G的坐标计算点A与点F的距离DAF，点B与点G的距离DBG，点A和点B之间的距离DAB，计算公式为：
其中点F为第一直线靠近第二直线一侧的端点，点G为第一直线靠近第三直线一侧的端点；式中DAF为点A与点F的距离，DBG为点B与点G的距离；
(6)结合DAF、DBG计算反应小车偏移距离De
De＝DAF-DBG
(7)结合DAB和De计算出反应小车偏移角度θ，计算公式为：
式中，Ds为小车处于直走状态下点A与点B的距离。
(8)将De作为控制系统的偏差信号利用PID算法计算出左轮和右轮的速度差Ue，其中Ue的计算公式为：
式中，kp为比例系数；T为积分时间常数；TD为微分时间常数。
(9)当小车处于偏离直行状态时，结合θ与De可以确定小车状态：
当|θ|>40゜时，小车处于严重偏离正常方向，控制小车停止。
当θ>0,小车处于右偏状态；
当θ<0,小车处于左偏状态；
当小车偏离正常方向时通过调整左右车轮的速度差Ue调整方向，当小车偏离正常方向通过调整左右车轮的速度差Ue调整方向，θ＝0和De＝0时小车处于直行状态。从而实现对机器人进行方向的调整。
本发明的有益效果在于：本机器人导向装置设计合理，使用方便，实现机器人在瓦楞状导轨上高精度自动导向，减小环境光的影响，使得机器人避免在沿导轨行驶时碰触轨道突起部分，通过激光增强辩识度，实现高精度导向。
附图说明
图1是本发明一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置的结构示意图。
图2是本发明一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置的左视图。
图3是本发明一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置的仰视图。
图4是本发明采集到的图像中的激光线条图。
图5是本发明采集到的激光线条拟合生成的直线方程在直角坐标系中的示意图。
图6是本发明的工作流程示意图。
图中，1-瓦楞状轨道、2-线形激光形成的图像、3-控制部分、4-面阵CCD摄像头、5-面阵CCD摄像头支架、6-一字激光模组支架、7-一字激光模、8-驱动部分、9-前轮、10-前轴承座、11-链条、12-主动链轮、13-前轴、14-行星减速器、15-步进电机、16-车身、17-后轴、18-后轮、19-后轴承座、20-从动链轮、21-第一线段、22-第二线段、23-第三线段、24-第四线段、25-第五线段、26-第一直线、27-第二直线、28-第三直线、29-点F、30-点G、31-点A、32-点B、33-第六线段、34-第七线段、35-第八线段、36-第九线段、37-第一线段左端点、38-第二线段右端点、39-原点、40-图像下边界。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1～6所示，一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置，包括车身16、控制部分3、驱动部分、图像采集部分和激光模组部分；驱动部分设置在车身16底部并用于驱动车身16的运动和转向，所述激光模组部分设置在车身16前方并用于向车身16前方的瓦楞状轨道1上发射出激光，所述图像采集部分用于采集车身16前方激光模组部分发出的激光照射在瓦楞状轨道1上的线形激光形成的图像2；所述控制部分3设置在车身16上并用于控制驱动部分、图像采集部分和激光模组部分的工作；
所述驱动部分包含驱动器8、前轮9、后轮18、前轴承座10、后轴承座19、链条11、主动链轮12、从动链轮20、前轴13、后轴17、减速器14和步进电机15，所述驱动器8放置在车身16上，驱动电机连接步进电机15并驱动步进电机15的运动，所述步进电机15放置在车身16底部，步进电机15的输出轴通过减速器14连接主动链轮12，所述主动链轮12通过链条11连接从动链轮20，所述从动链轮20设置在后轴17上，所述后轴17连接后轮18且通过后轴承座19固定在车身16上；所述前轮9连接在前轴13上，前轴13通过前轴承座10固定在车身16上；
所述激光模组部分包含一个一字激光模组支架6和一个一字激光模组7，一字激光模组7分别通过一字激光模组支架6安装在车身16前端的中部，一字激光模组支架6上设置有可以调整一字激光模组7竖直方向和水平方向角度的旋转机构；
所述图像采集部分包含面阵CCD摄像头支架5和面阵CCD摄像头4；所述面阵CCD摄像头4通过面阵CCD摄像头支架5固定在车身16前端中部，且两个一字激光模组支架6对称设置在面阵CCD摄像头支架5的两侧；
所述面阵CCD摄像头支架5设置在一字激光模组支架6的前方，且一字激光模组支架6的高度高于面阵CCD摄像头支架5的高度，一字激光模组7设置在面阵CCD摄像头4的上方。
驱动部分的步进电机15设置有两个，分别用于两个前轮9的独立驱动。
还包括旋转机构，所述旋转机构包括旋转轴、连接臂和旋转盘，连接臂的一端连接旋转臂的中部，旋转轴上设置有连接臂相配合的螺纹孔，连接臂的另一端设置有外螺纹，连接臂通过外螺纹与螺纹孔的配合安装在旋转轴上，所述旋转轴的两端连接在一字激光模组支架6且旋转轴与一字激光模组支架6间隙配合。
所述减速器14为行星减速器14。
一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置的导向方法，使用上述非接触式导轨导向装置来实现，包括如下步骤：
(1)打开一字激光模组7，调整激光模组部分的旋转机构，使一字激光模组7发射出线形激光投射在瓦楞状轨道上；
(2)面阵CCD摄像头4拍摄车身16前方的图像，并将步骤1中激光模组发射激光在瓦楞状轨道上的线形激光拍摄进图像内，面阵CCD摄像头4拍摄到的图像包括激光投射在瓦楞状轨道凸起部分和轨道部分的线形激光形成的线条；
(3)面阵CCD摄像头4采集到的图像传送至控制部分3，由控制部分3对图像中的激光线条进行处理；首先以图像下边界40的中点为原点39建立直角坐标系，并拟合线形激光投射在瓦楞状轨道上的线段方程，线形激光投射在瓦楞状轨道上的线段由第一线段21、第二线段22、第三线段23、第四线段24、第五线段25、第六线段33、第七线段34、第八线段35、第九线段36，其中第一线段21、第二线段22、第三线段23、第八线段35、第九线段36皆为水平直线线段，其中第一线段21、第二线段22、第三线段共线23并处于瓦棱状轨道凹面，第八线段35、第九线段36共线并处于瓦棱状轨道凸起部分顶面，第四线段24、第五线段25、第六线段33和第七线段34为倾斜直线线段处于瓦棱状轨道凸起部分的侧面，第三线段23的两端分别连接第四线段24和第五线段25的一个端点，第八线段35的两端分别连接第六线段33和第四线段24的一个端点，第九线段36连接第七线段34和第五线段25的一个端点，第一线段21的右端连接第六线段33的一端，第二线段22的左端连接第七线段34的一端；
设第一线段21的右端点为F(x5,y5)，第二线段22的左端点为G(x6,y6)，由第一线段21、第二线段22、第三线段23共同拟合生成第一直线26的方程：
y＝k1x+b1
其中k1为第一直线26方程的斜率，b1为第一直线26方程的截距；
由第四线段24拟合出第二直线27的方程：
y＝k2x+b2
其中k2为第二直线27方程的斜率，b2为第二直线27方程的截距；
由第五线段25拟合出第三直线28的方程：
y＝k3x+b3
其中k3为第三直线28方程的斜率，b2为第三直线28方程的截距；
(4)结合第一直线26、第二直线27和第三直线28的方程，计算出第一直线26与第二直线27的交点A31(x12,y12),第一直线26与第三直线28的交点B32(x13,y13)；
其中，A(x12,y12)的计算公式为：
B(x13,y13)的计算公式为：
(5)结合点A31、点B32、点F29和点G30的坐标计算点A31与点F29的距离DAF，点B32与点G30的距离DBG，点A31和点B32之间的距离DAB，计算公式为：
其中点F29为第一直线26靠近第二直线27一侧的端点，点G30为第一直线26靠近第三直线28一侧的端点；式中DAF为点A31与点F29的距离，DBG为点B32与点G30的距离；
(6)结合DAF、DBG计算反应小车偏移距离De
De＝DAF-DBG
(7)结合DAB和De计算出反应小车偏移角度θ，计算公式为：
式中，Ds为小车处于直走状态下点A31与点B32的距离；
(8)将De作为控制系统的偏差信号利用PID算法计算出左轮和右轮的速度差Ue，其中Ue的计算公式为：
式中，kp为比例系数；T为积分时间常数；TD为微分时间常数；
(9)当小车处于偏离直行状态时，，结合θ与De可以确定小车状态：
当|θ|>40゜时，小车处于严重偏离正常方向，控制小车停止。
当θ>0,小车处于右偏状态；
当θ<0,小车处于左偏状态；
当小车偏离正常方向时通过调整左右车轮的速度差Ue调整方向，当小车偏离正常方向通过调整左右车轮的速度差Ue调整方向，θ＝0和De＝0时小车处于直行状态。从而实现对机器人进行方向的调整。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (5)

1.一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置的导向方法，用于一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置，所述一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置包括车身(16)、控制部分(3)、驱动部分、图像采集部分和激光模组部分，所述激光模组部分设置在车身(16)前方并用于向车身(16)前方的瓦楞状轨道(1)上发射出一字激光，所述图像采集部分用于采集车身(16)前方激光模组部分发出的激光照射在瓦楞状轨道(1)上的线形激光形成的图像(2)；其特征在于：包括如下步骤：
(1)打开一字激光模组(7)，调整激光模组部分的旋转机构，使一字激光模组(7)发射出线形激光投射在瓦楞状轨道上；
(2)面阵CCD摄像头(4)拍摄车身(16)前方的图像，并将步骤(1)中激光模组发射激光在瓦楞状轨道上的线形激光拍摄进图像内，面阵CCD摄像头(4)拍摄到的图像包括激光投射在瓦楞状轨道凸起部分和轨道部分的线形激光形成的线条；
(3)面阵CCD摄像头(4)采集到的图像传送至控制部分(3)，由控制部分(3)对图像中的激光线条进行处理；首先以图像下边界(40)的中点为原点(39)建立直角坐标系，并拟合线形激光投射在瓦楞状轨道上的线段方程，线形激光投射在瓦楞状轨道上的线段由第一线段(21)、第二线段(22)、第三线段(23)、第四线段(24)、第五线段(25)、第六线段(33)、第七线段(34)、第八线段(35)、第九线段(36)，其中第一线段(21)、第二线段(22)、第三线段(23)、第八线段(35)、第九线段(36)皆为水平直线线段，其中第一线段(21)、第二线段(22)、第三线段(23)共线并处于瓦棱状轨道凹面，第八线段(35)、第九线段(36)共线并处于瓦棱状轨道凸起部分顶面，第四线段(24)、第五线段(25)、第六线段(33)和第七线段(34)为倾斜直线线段处于瓦棱状轨道凸起部分的侧面，第三线段(23)的两端分别连接第四线段(24)和第五线段(25)的一个端点，第八线段(35)的两端分别连接第六线段(33)和第四线段(24)的一个端点，第九线段(36)连接第七线段(34)和第五线段(25)的一个端点，第一线段(21)的右端连接第六线段(33)的一端，第二线段(22)的左端连接第七线段(34)的一端；
设第一线段(21)的右端点为F(x5,y5)，第二线段(22)的左端点为G(x6,y6)，由第一线段(21)、第二线段(22)、第三线段(23)共同拟合生成第一直线(26)的方程：
y＝k1x+b1
其中k1为第一直线(26)方程的斜率，b1为第一直线(26)方程的截距；
由第四线段(24)拟合出第二直线(27)的方程：
y＝k2x+b2
其中k2为第二直线(27)方程的斜率，b2为第二直线(27)方程的截距；
由第五线段(25)拟合出第三直线(28)的方程：
y＝k3x+b3
其中k2为第三直线28方程的斜率，b2为第三直线28方程的截距；
(4)结合第一直线(26)、第二直线(27)和第三直线(28)的方程，计算出第一直线(26)与第二直线(27)的交点A(31)(x12,y12),第一直线(26)与第三直线(28)的交点B(32)(x13,y13)；
其中，A(x12,y12)的计算公式为：
B(x13,y13)的计算公式为
(5)结合点A(31)、点B(32)、点F(29)和点G(30)的坐标计算点A(31)与点F(29)的距离DAF，点B(32)与点G(30)的距离DBG，点A(31)和点B(32)之间的距离DAB，计算公式为：
其中点F(29)为第一直线(26)靠近第二直线(27)一侧的端点，点G(30)为第一直线(26)靠近第三直线(28)一侧的端点；式中DAF为点A(31)与点F(29)的距离，DBG为点B(32)与点G(30)的距离；
(6)结合DAF、DBG计算反应小车偏移距离De
De＝DAF-DBG
(7)结合DAB和De计算出反应小车偏移角度θ，计算公式为：
式中，Ds为小车处于直走状态下点A(31)与点B(32)的距离；
(8)将De作为控制系统的偏差信号利用PID算法计算出左轮和右轮的速度差Ue，其中Ue的计算公式为：
式中，kp为比例系数；T为积分时间常数；TD为微分时间常数；
(9)当小车处于偏离直行状态时，结合θ与De可以确定小车状态：
当|θ|>40゜时，小车处于严重偏离正常方向，控制小车停止；
当θ>0,小车处于右偏状态；
当θ<0,小车处于左偏状态；
当小车偏离正常方向时通过调整左右车轮的速度差Ue调整方向，当小车偏离正常方向通过调整左右车轮的速度差Ue调整方向，θ＝0和De＝0时小车处于直行状态；从而实现对机器人进行方向的调整。
2.一种根据权利要求1所述的一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置的导向方法的非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置，其特征在于：
所述驱动部分设置在车身(16)底部并用于驱动车身(16)的运动和转向，所述驱动部分包含驱动器(8)、前轮(9)、后轮(18)、前轴承座(10)、后轴承座(19)、链条(11)、主动链轮(12)、从动链轮(20)、前轴(13)、后轴(17)、减速器(14)和步进电机(15)，所述驱动器(8)放置在车身(16)上，驱动电机连接步进电机(15)并驱动步进电机(15)的运动，所述步进电机(15)放置在车身(16)底部，步进电机(15)的输出轴通过减速器(14)连接主动链轮(12)，所述主动链轮(12)通过链条(11)连接从动链轮(20)，所述从动链轮(20)设置在后轴(17)上，所述后轴(17)连接后轮(18)且通过后轴承座(19)固定在车身(16)上；所述前轮(9)连接在前轴(13)上，前轴(13)通过前轴承座(10)固定在车身(16)上；
所述激光模组部分包含一个一字激光模组支架(6)和一个一字激光模组(7)，一字激光模组(7)分别通过一字激光模组支架(6)安装在车身(16)前端的中部，一字激光模组支架(6)上设置有可以调整一字激光模组(7)竖直方向和水平方向角度的旋转机构；
所述图像采集部分包含面阵CCD摄像头支架(5)和面阵CCD摄像头(4)；所述面阵CCD摄像头(4)通过面阵CCD摄像头支架(5)固定在车身(16)前端中部，且两个一字激光模组支架(6)对称设置在面阵CCD摄像头支架(5)的两侧；
所述面阵CCD摄像头支架(5)设置在一字激光模组支架(6)的前方，且一字激光模组支架(6)的高度高于面阵CCD摄像头支架(5)的高度，一字激光模组(7)设置在面阵CCD摄像头(4)的上方；
所述控制部分(3)设置在车身(16)上并用于控制驱动部分、图像采集部分和激光模组部分的工作。
3.根据权利要求2所述的一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置，其特征在于：驱动部分的步进电机(15)设置有两个，分别用于两个前轮(9)的独立驱动。
4.根据权利要求2所述的一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置，其特征在于：还包括旋转机构，所述旋转机构包括旋转轴、连接臂和旋转盘，连接臂的一端连接旋转臂的中部，旋转轴上设置有连接臂相配合的螺纹孔，连接臂的另一端设置有外螺纹，连接臂通过外螺纹与螺纹孔的配合安装在旋转轴上，所述旋转轴的两端连接在一字激光模组支架(6)且旋转轴与一字激光模组支架(6)间隙配合。
5.根据权利要求2所述的一种非接触式适用于瓦楞状轨道的导向装置，其特征在于：所述减速器(14)为行星减速器(14)。
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