CN108762255A - 一种室内智能移动机器人及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种室内智能移动机器人及控制方法，机器人行进的全局路径包括途径的若干关键点位置；当行进路径上存在障碍物时，在原路径之外设置一个避障点，并规划出机器人由当前关键点行进至该避障点的局部路径，当机器人沿局部轨迹行进至避障点后，再规划出机器人从该避障点行进至下一个关键点的局部路径；在机器人沿所述局部路径行进过程中如果出现新的障碍物，则再另外设置一个避障点；其中，采用三维激光雷达进行激光斜射，使得激光的扫描点避开动态障碍物，从而获取反映周围环境信息的激光数据用于建立周围环境地图。本发明能够在人员流动的室内复杂环境下实现无轨化自主导航。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种室内智能移动机器人及控制方法。
背景技术
室内智能移动机器人越来越广泛地应用于餐厅、办公室等场所。但是，现在投入使用的室内智能移动机器人一般需要借助铺设的磁轨迹来实现循迹移动，从而带来系统复杂、灵活性较低的问题，且会受到使用场地的限制。另外，现有的室内智能移动机器人容易受到运动人群的干扰，会降低目标识别的稳定性和可靠性。因此，现有的室内智能移动机器人无法在人员流动的复杂环境中实现无轨化自主导航。
发明内容
本发明提出一种室内智能移动机器人及控制方法，能够在人员流动的室内复杂环境下实现无轨化自主导航。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种室内智能移动机器人，包括信息处理和控制模块、运动底盘机构、红外避障机构以及三维激光雷达；
所述运动底盘机构用于实现机器人运动，其包括用于统计机器人运动里程的检测装置；
所述红外避障机构用于检测行进路径上是否存在障碍物；
所述三维激光雷达用于周围环境数据；
所述信息处理和控制模块根据周围环境数据构建出周围环境地图，并将机器人的运动里程数据与周围环境地图进行融合处理，获得机器人在周围环境地图中的位置信息；
所述信息处理和控制模块根据周围环境地图以及出机器人的位置信息规划机器人的全局路径；所述全局路径包括机器人途径的若干关键点位置；
当红外避障机构判断出机器人的行进路径上存在障碍物时，信息处理和控制模块在原全局路径之外设置一个避障点，并规划出机器人由当前关键点行进至该避障点的局部轨迹，当机器人行进至避障点后，再由信息处理和控制模块规划出机器人从该避障点行进至下一个关键点的局部路径。
进一步，运动底盘机构包括底盘、电机、霍尔传感器、驱动器、主动轮和作为万向轮的从动轮；驱动器与电机相连，电机与主动轮相连，霍尔传感器与电机相连，所述信息处理和控制模块根据规划出的行进路径向驱动器发送移动指令，驱动器驱动电机运行。
进一步，红外避障机构包括避障功能板和若干红外测距传感器，红外测距传感器用于采集机器人与周围物体之间的距离信息，并提供给避障功能板；避障功能板根据红外测距传感器采集的距离信息判断全局路径上是否存在障碍物，如果存在障碍物，则将障碍物的方位和距离信息发送给信息处理和控制模块。
进一步，所述三维激光雷达进行激光斜射，使得激光的扫描点避开动态障碍物。
本发明还提供一种室内智能移动机器人控制方法，机器人行进的全局路径包括途径的若干关键点位置；当行进路径上存在障碍物时，在原路径之外设置一个避障点，并规划出机器人由当前关键点行进至该避障点的局部路径，当机器人沿局部轨迹行进至避障点后，再规划出机器人从该避障点行进至下一个关键点的局部路径；在机器人沿所述局部路径行进过程中如果出现新的障碍物，则再另外设置一个避障点。
进一步，所述机器人包括信息处理和控制模块、运动底盘机构、红外避障机构以及三维激光雷达；
所述运动底盘机构用于实现机器人运动，其包括用于统计机器人运动里程的检测装置；
所述红外避障机构用于检测行进路径上是否存在障碍物；
所述三维激光雷达用于周围环境数据；
所述信息处理和控制模块根据周围环境数据构建出周围环境地图，并将机器人的运动里程数据与周围环境地图进行融合处理，获得机器人在周围环境地图中的位置信息；
所述信息处理和控制模块根据周围环境地图以及出机器人的位置信息规划机器人的全局路径、避障点位置以及局部路径。
进一步，运动底盘机构包括底盘、电机、霍尔传感器、驱动器、主动轮和作为万向轮的从动轮；驱动器与电机相连，电机与主动轮相连，霍尔传感器与电机相连，所述信息处理和控制模块根据规划出的行进路径向驱动器发送移动指令，驱动器驱动电机运行。
进一步，红外避障机构包括避障功能板和若干红外测距传感器，红外测距传感器用于采集机器人与周围物体之间的距离信息，并提供给避障功能板；避障功能板根据红外测距传感器采集的距离信息判断全局路径上是否存在障碍物，如果存在障碍物，则将障碍物的方位和距离信息发送给信息处理和控制模块。
进一步，所述三维激光雷达进行激光斜射，使得激光的扫描点避开动态障碍物。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)定位稳定性好：本发明使用三维激光雷达进行激光斜射，使得激光的扫描点可以到达高度超过人体的较高位置，减少了移动的人体等动态特征对激光雷达探测到的环境信息的干扰；同时，将机器人定位信息与里程信息融合，可以减少误环境识别和路径规划中的匹配和动态特征干扰，增强定位的鲁棒性。
(2)避障更安全：本发明采用红外测距传感器测量机器人与障碍物之间的距离，在光照不足的情况下依然能够准确、实时地完成障检测，不会出现漏检情况，更加安全。
(3)避障更智能：本发明使用多个红外测距传感器，在上位机规划全局路径的基础上，通过设计全局路径中相邻两个关键点之间的局部轨迹，并使机器人跟踪该轨迹，可实现在动态避障条件下，机器人以友好、智能的方式到达指定位置。
(4)兼顾实时性和计算能力：对于实时性要求较高的部分，如红外数据的读取，电机的驱动等，使用板级处理系统，如电机驱动器和避障功能板，保证了系统的实时性；采用工控机代替普通板级系统作为核心处理单元，计算能力更强，可以更好的实现方法中大量的计算，通过接口技术，连接板级系统和工控机，从整体上兼顾了系统的实时性和计算能力。
附图说明
图1为本发明实施例所示的一种室内智能移动机器人系统的结构框图；
图2为本发明实施例所示的运动底盘机构的结构框图；
图3为本发明实施例所示的机器人外壳的结构示意图；
图4为本发明实施例所示的上位机机构与工控机的连接示意图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明室内智能移动机器人及控制方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
如图1所示，作为一种实施方式，室内智能移动机器人，包括上位机1、工控机2、运动底盘3、红外避障机构5和三维激光雷达6(即图1中的激光雷达定位机构)。上位机1与工控机2之间通过数据网络连接，工控机2、红外避障机构5和三维激光雷达6设置在运动底盘3上。
上位机1用于规划机器人全局路径，并监控机器人的各项状态，如电量等信息。上位机1同时向工控机2下达各项操作命令。所述全局路径中包括多个途经的关键点。
工控机2用于接收并处理红外避障机构5和三维激光雷达6采集的数据，并根据上位机1下达的移动指令控制运动底盘机构运动。
运动底盘机构3用于实现机器人运动。运动底盘机构3上还安装有机器人外壳7，用于保护其他器件，并给予机器人美观的外形。运动底盘机构3上还可以搭载可充电锂电池4。可充电锂电池4用于向工控机2、底盘机3、红外避障机5和三维激光雷达6等设备供电。
如图2所示，运动底盘机构3包括底盘31、两个电机32、两个霍尔传感器33、驱动器34、两个主动轮35和四个从动轮36；驱动器34固定在底盘31上，并与两个电机32相连，两个霍尔传感器33与两个电机32相连，二个主动轮35位于底盘31左右两边，每个主动轮35的轮轴分别与一个电机32相连，四个从动轮36为万向轮，固定在底盘31下方。霍尔传感器33用于采集相应主动轮的里程数据。所述驱动器34通过串口转USB模块与工控机2的USB口连接，工控机2向驱动器34发送速度指令，驱动器34驱动电机32转动，电机32带动主动轮35运动。两个电机32为无刷直流电机，无刷直流电机自带霍尔传感器33，驱动器34可独立驱动两个主动轮35电机32，两个主动轮35位于左右两边，四个从动轮36为万向轮，分别位于左前、右前、左后、右后位置。电机驱动器34与工控机2通过串口线连接，工控机2向电机驱动器34发送PWM信号，控制电机32转动，同时，通过驱动器34将霍尔传感器33的数据传输至工控机2进行里程计算。
如图3所示，所述机器人外壳7包括用于托持托盘或物体的托持手臂71、用于安装红外测距传感器的孔洞72、用于供可充电锂电池4充电的充电插口73、用于对工控机2或可充电锂电池4操作的操作开关口74和主壳体75；托持手臂71位于主壳体75中部前方，与主壳体75一体，孔洞72、充电插口73和操作开关口74位于主壳体75中下部，孔洞72在主壳体正面均匀分布，操作开关口74通过螺栓与主壳体75固定，可从外侧安装或拆卸。
红外避障机构5包括避障功能板和若干红外测距传感器，红外测距传感器用于采集机器人与周围物体之间的距离信息，并提供给避障功能板。避障功能板根据红外测距传感器采集的距离信息判断全局路径上是否存在障碍物，以及障碍物的方位、距离。红外测距传感器固定在机器人外壳7的孔洞72处，通过杜邦线与避障功能板的IO口连接，避障功能板处理红外测距传感器51的数据，并通过串口转USB模块与工控机2的USB口连接。避障功能板主要包括微控制器(MCU)、IO排针口以及电源管理模块。IO排针口由微控制器引出，并与红外测距传感器连接。电源管理模块与工控机2通过USB连接，由工控机2供电，并完成电压转和稳压功能。
三维激光雷达6采集反映周围环境的激光数据，霍尔传感器33采集机器人里程数据，工控机2根据周围环境数据和里程数据进行融合处理，构建出周围环境地图，并在环境地图中给出机器人定位信息。
上位机1根据周围环境地图以及出机器人的定位信息规划机器人全局路径。当避障功能板判断出全局路径上有新的障碍物存在时，工控机2将根据障碍物位置以及与障碍物相临近的全局路径上的两个关键点位置，规划该两个关键点之间的局部轨迹，从而实现在动态避障条件下，机器人以友好、智能的方式到达指定位置。
如图4所示，上位机1与工控机2之间可以设置无线路由器12，上位机11通过无线路由器12与工控机2信号连接。工控机2可以选用i7-4510U处理器，8G内存，128G固态硬盘，内置无线网卡，用于无线通信。工控机2向驱动器74发送PWM信号，控制电机转动。
本发明通过设置在机器人顶部的三维激光雷达6进行激光斜射来采集反映环境的激光数据。
作为一种优选方式，可以采用8个红外测距传感器，均匀分布在底盘正面，通过避障功能板(串口转USB模块)与工控机相连。当红外测距传感器检测到障碍物时，则告诉程序，驱动机器人完成避障。
机器人的工作过程为：
S1：使用三维激光雷达6进行激光斜射，使得激光的扫描点达到较高的位置以避开人体等动态障碍物，以采集反映周围环境的激光数据并传输至工控机2；
所谓激光斜射是指激光传感器发射的扫描激光与地面具有的大小为θ的夹角；将激光传感器测得的机器人与墙壁之间的距离乘以cosθ获得机器人与墙壁之间的实际距离；根据机器人与墙壁之间的实际距离完成机器人室内定位，将大于d且小于有效测距距离d2的测距数据作为有效测距数据，剔除其他测距数据，将有效测距数据乘以cosθ获得机器人与墙壁之间的实际距离；将激光传感器测距数据转换为平面距离后，使用HectorSLAM方法进行机器人定位。本发明定位导航精度高，具有较高的适应性和稳定性。
假设避障距离为d、室内墙壁高度为h1，移动障碍物的最大高度为h2，激光传感器的有效测距距离为d2，则通过求解以下方程组来获得激光传感器的安装高度x，
避障距离d是指当激光传感器测得的移动物体与机器人之间的距离小于d时，则认为该物体为障碍物。
S2：工控机2读取霍尔传感器33中的里程数据；
S3：将激光数据与里程数据进行融合处理，实现对机器人的定位；
S4：上位机1完成地图构建，利用可视图法完成全局路径规划，并传输至工控机2；
S5：机器人利用避障功能板采集所有红外测距传感器的距离信息，若距离大于设定阈值，则不存在障碍物，继续按照全局路径中原有的相邻两各关键点路径行走；若距离小于设定阈值，则认为存在障碍物，避障功能板将存在障碍物的反馈给工控机2以进行避障处理；
S6：工控机2设立临时避障点作为中转点，由工控机5向驱动器13发送速度指令，驱动机器人运动；
S7：到达中转点后，由工控机2再规划当前位置到下一个关键点的轨迹；
S8：判断机器人是否到达下一个关键点，是则停止运动，等待下一次指令，否则重复步骤S5-S8。
在上述实施例中，上位机和工控机可以看做一个整体，作为信息处理和控制模块。当然，信息处理和控制模块来可集成实现也可以分体实现。所谓集成实现，即设置一个统一的数据处理模块作为信息处理和控制模块，该模块直接安装在机器人本体上。所谓分体实现，即如前述实施例所述的可以包括上位机和工控机，工控机安装在机器人本体上，而上位机另外单独实现，上位机与工控机之间数据连接，可以有线通信也可无线通信。
Claims (9)
1.室内智能移动机器人，其特征在于，包括信息处理和控制模块、运动底盘机构、红外避障机构以及三维激光雷达；
所述运动底盘机构用于实现机器人运动，其包括用于统计机器人运动里程的检测装置；
所述红外避障机构用于检测行进路径上是否存在障碍物；
所述三维激光雷达用于周围环境数据；
所述信息处理和控制模块根据周围环境数据构建出周围环境地图，并将机器人的运动里程数据与周围环境地图进行融合处理，获得机器人在周围环境地图中的位置信息；
所述信息处理和控制模块根据周围环境地图以及出机器人的位置信息规划机器人的全局路径；所述全局路径包括机器人途径的若干关键点位置；
当红外避障机构判断出机器人的行进路径上存在障碍物时，信息处理和控制模块在原全局路径之外设置一个避障点，并规划出机器人由当前关键点行进至该避障点的局部轨迹，当机器人行进至避障点后，再由信息处理和控制模块规划出机器人从该避障点行进至下一个关键点的局部路径。
2.如权利要求1所述的室内智能移动机器人，其特征在于，运动底盘机构包括底盘、电机、霍尔传感器、驱动器、主动轮和作为万向轮的从动轮；驱动器与电机相连，电机与主动轮相连，霍尔传感器与电机相连，所述信息处理和控制模块根据规划出的行进路径向驱动器发送移动指令，驱动器驱动电机运行。
3.如权利要求1所述的室内智能移动机器人，其特征在于，红外避障机构包括避障功能板和若干红外测距传感器，红外测距传感器用于采集机器人与周围物体之间的距离信息，并提供给避障功能板；避障功能板根据红外测距传感器采集的距离信息判断全局路径上是否存在障碍物，如果存在障碍物，则将障碍物的方位和距离信息发送给信息处理和控制模块。
4.如权利要求1所述的室内智能移动机器人，其特征在于，所述三维激光雷达进行激光斜射，使得激光的扫描点避开动态障碍物。
5.室内智能移动机器人控制方法，其特征在于，机器人行进的全局路径包括途径的若干关键点位置；当行进路径上存在障碍物时，在原路径之外设置一个避障点，并规划出机器人由当前关键点行进至该避障点的局部路径，当机器人沿局部轨迹行进至避障点后，再规划出机器人从该避障点行进至下一个关键点的局部路径；在机器人沿所述局部路径行进过程中如果出现新的障碍物，则再另外设置一个避障点。
6.如权利要求5所述的室内智能移动机器人控制方法，其特征在于，所述机器人包括信息处理和控制模块、运动底盘机构、红外避障机构以及三维激光雷达；
所述运动底盘机构用于实现机器人运动，其包括用于统计机器人运动里程的检测装置；
所述红外避障机构用于检测行进路径上是否存在障碍物；
所述三维激光雷达用于周围环境数据；
所述信息处理和控制模块根据周围环境数据构建出周围环境地图，并将机器人的运动里程数据与周围环境地图进行融合处理，获得机器人在周围环境地图中的位置信息；
所述信息处理和控制模块根据周围环境地图以及出机器人的位置信息规划机器人的全局路径、避障点位置以及局部路径。
7.如权利要求5所述的室内智能移动机器人控制方法，其特征在于，运动底盘机构包括底盘、电机、霍尔传感器、驱动器、主动轮和作为万向轮的从动轮；驱动器与电机相连，电机与主动轮相连，霍尔传感器与电机相连，所述信息处理和控制模块根据规划出的行进路径向驱动器发送移动指令，驱动器驱动电机运行。
8.如权利要求5所述的室内智能移动机器人控制方法，其特征在于，红外避障机构包括避障功能板和若干红外测距传感器，红外测距传感器用于采集机器人与周围物体之间的距离信息，并提供给避障功能板；避障功能板根据红外测距传感器采集的距离信息判断全局路径上是否存在障碍物，如果存在障碍物，则将障碍物的方位和距离信息发送给信息处理和控制模块。
9.如权利要求5所述的室内智能移动机器人控制方法，其特征在于，所述三维激光雷达进行激光斜射，使得激光的扫描点避开动态障碍物。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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