CN109002046B - 一种移动机器人导航系统及导航方法 - Google Patents

Abstract

本说明书实施例公开了一种移动机器人导航系统及导航方法，所述系统包括移动机器人、导航二维码以及导航光带，所述移动机器人包括工控机、高速相机以及光电传感器；其中，所述导航光带按照预设线路进行铺设，所述导航二维码固定设置在所述导航光带预设位置上；所述高速相机安装于所述移动机器人底部，用于获取导航二维码信息；所述光电传感器安装于所述移动机器人底部的前端位置，用于向所述导航光带发射光信号、以及接受经所述导航光带反射后的光信号；所述高速相机以及光电传感器与所述工控机连接，所述工控机获取所述高速相机以及光电传感器发送出的信号，并根据所述信号调整所述移动机器人的运动姿态。从而实现对移动机器人的精准导航。

Description

一种移动机器人导航系统及导航方法

技术领域

本发明涉及机器人导航技术领域，特别地，涉及一种移动机器人导航系统及导航方法。

背景技术

自主导航是指移动机器人通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标的自主运动。在移动机器人相关技术的研究中，自主导航技术是体现其自动化、智能化的关键一环。

传统的光电式巡线移动机器人通常通过铺设反光导航带，利用传感器检测反射光线实现自主导航。但仅铺设反光导航带，仍无法精确获得移动机器人全局位置和航向信息，不适用于复杂路径规划下的场景导航。从工程应用的角度看，目标亟需一种可以精确导航以及连续调整，适用于复杂路径规划的导航系统。

发明内容

本说明书实施例的目的是提供一种移动机器人导航系统及导航方法，可以实现对移动机器人的精准导航。

本说明书提供一种移动机器人导航系统及导航方法是包括如下方式实现的：

一种移动机器人导航系统，所述系统包括移动机器人、导航二维码以及导航光带，所述移动机器人包括工控机、高速相机以及光电传感器；其中，

所述导航光带按照预设线路进行铺设，所述导航二维码固定设置在所述导航光带预设位置上；

所述高速相机安装于所述移动机器人底部，用于获取导航二维码信息；

所述光电传感器安装于所述移动机器人底部的前端位置，用于向所述导航光带发射光信号、以及接受经所述导航光带反射后的光信号；

所述高速相机以及光电传感器与所述工控机连接，所述工控机获取所述高速相机以及光电传感器发送出的信号，并根据所述信号调整所述移动机器人的运动姿态。

本说明书提供的所述系统的另一个实施例中，所述移动机器人的移动路径角度调整位置处单独设置有导航二维码，用于工控机根据导航二维码与移动机器人的相对位置关系，控制移动机器人完成指定角度的转弯动作。

本说明书提供的所述系统的另一个实施例中，所述导航二维码之间的距离包括移动机器人前进方向车身长度的1/4～1/2之间的任意值。

本说明书提供的所述系统的另一个实施例中，所述导航二维码的面积占高速相机视野面积的比例为1/9～1/5的任意值。

本说明书提供的所述系统的另一个实施例中，所述高速相机的镜头中心与移动机器人车轮对角线的交点重合，所述高速相机扫描频率大于等于100帧/秒。

本说明书提供的所述系统的另一个实施例中，所述导航光带的宽度包括一倍端子间距至三倍端子间距之间的任意值。

本说明书提供的所述系统的另一个实施例中，所述光电传感器的端子为光信号发射与接收一体式集成结构。

本说明书提供的所述系统的另一个实施例中，所述导航光带预设位置处设置有信号反馈带，用于光电传感器行进至信号反馈带时，提供高速相机打开或者关闭的触发信号。

另一方面，本说明书实施例还提供一种基于上述任意一个实施例所述导航系统的移动机器人导航方法，所述方法包括：

工控机获取出发指令后，光电传感器的端子发射的光信号经导航光带反射后被相应端子接收，工控机通过判断光电传感器接收反射光信号端子的数目与位置确定移动机器人的运动姿态，并进行调整；

移动机器人到达导航二维码位置处，工控机根据光电传感器输入的触发信号控制高速相机打开，高速相机识别导航二维码图像并传输至工控机，工控机对导航二维码信息进行处理；

当工控机通过导航二维码的编号确定移动机器人直行时，根据导航二维码中心与高速相机中心的距离和角度调整移动机器人的运动姿态；

当工控机通过导航二维码的编号确定移动机器人转弯时，基于导航二维码码值信息中包含的调整角度及方向，根据导航二维码中心与高速相机中心的距离和角度调整车轮转速及转向，使机器人完成指定角度的转弯动作；

移动机器人离开导航二维码路段后，工控机根据光电传感器输入的触发信号控制高速相机关闭，光电传感器继续为移动机器人提供巡线导航，直至行进到下一导航二维码位置。

本说明书提供的所述方法的另一个实施例中，采用下述方式确定所述导航二维码中心与高速相机中心的距离和角度：

根据像素坐标转化方程得到导航二维码中心与高速相机中心的坐标值；

根据所述导航二维码中心与高速相机中心的坐标值确定所述导航二维码中心与高速相机中心的距离及角度。

本说明书一个或多个实施例提供的一种移动机器人导航系统及导航方法，可以通过在导航光带的预设位置上设置导航二维码，并利用高速相机识别导航二维码，根据导航二维码确定机器人的全局位置信息，以及利用导航二维码与机器人的相对位置关系，进一步准确调整机器人的运动姿态，实现对机器人的位姿的精准调整。同时，还可以利用光电传感器进行导航输入信号的切换，使得导航输入信号的切换方式更加简单方便，并降低功耗。从而，利用本说明书各个实施例，可以实现对机器人在复杂路径下的自主导航和全局定位，进一步还可以提高机器人在长距离、无人控制运动场景下的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本说明书提供的一种移动机器人导航系统的结构示意图；

图2为本说明书提供的一个实施例中的移动机器人仰视图；

图3为本说明书提供的一个实施例中的导航二维码码值信息示意图；

图4为本说明书提供的一个实施例中的导航二维码中心与高速相机中心的距离及角度确定示意图；

图5为本说明书提供的一个实施例中的导航光带结构示意图；

图6为本说明书提供的一个实施例中的导航系统通信关系示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书实施例方案保护的范围。

传统的光电式巡线移动机器人通常是铺设反光导航带，通过传感器检测反射光线实现自主导航。但仅通过铺设反光导航带，仍无法精确获得移动机器人全局位置和航向信息，不适用于复杂路径规划下的场景导航。

相应的，本说明书公开了一种移动机器人导航系统及导航方法，所述系统可以包括移动机器人、导航二维码以及导航光带，所述移动机器人可以包括工控机、高速相机以及光电传感器。其中，所述导航光带可以按照预设线路进行铺设，所述导航二维码可以固定设置在所述导航光带预设位置上。所述高速相机可以安装于所述移动机器人底部，用于获取导航二维码信息。所述光电传感器可以安装于所述移动机器人底部的前端位置，用于向所述导航光带发射光信号、以及接收经所述导航光带反射后的光信号。所述高速相机以及光电传感器与所述工控机连接，所述工控机获取所述高速相机以及光电传感器发送出的信号，并根据所述信号调整所述移动机器人的运动姿态。

本说明书实施例提供的上述系统，可以通过在导航光带的预设位置上设置导航二维码，在移动机器人行进的过程中，通过光电传感器识别导航光带来保证连续导航。同时，还可以通过相机识别导航二维码，根据导航二维码确定机器人的全局位置信息，以及利用导航二维码与机器人的相对位置关系，进一步准确调整机器人的运动姿态，实现对机器人的位姿的精准调整。进一步的，还可以利用光电传感器进行导航输入信号的切换，使得导航输入信号的切换方式更加简单方便，并降低功耗。从而，利用本说明书各个实施例，可以实现对机器人在复杂路径下的自主导航和全局定位，进一步还可以提高机器人在长距离、无人控制运动场景下的可靠性。

图1表示本说明书提供的所述一种移动机器人导航系统的结构示意图，如图1所示，所述导航系统可以包括移动机器人1、导航二维码2以及导航光带3。图2表示本说明书实施例提供的移动机器人的仰视图，如图1、图2所示，所述移动机器人1可以包括工控机101、高速相机102以及光电传感器103。

所述导航光带3可以按照预设线路进行铺设。具体实施时，可以在地面上沿预设线路铺设所述导航光带3，所述导航光带3可以用于为移动机器人提供路径信息。

所述导航二维码2可以固定设置在所述导航光带3的预设位置上，为高速相机102提供识别移动机器人位姿信息的坐标基准。如可以在预设线路的起始位置、终止位置、直线段每隔固定距离单独设置独立的导航二维码。

图3表示本说明书的一个或者多个实施例中的导航二维码码值信息示意图。如图3所示，一些实施方式中，所述导航二维码2可以为独立编号的、QR(Quick-Response)Code码制二维码，所述导航二维码的码值信息可以包括二维码的编号及其他码值信息，如可以包括转弯方向和角度等信息。所述导航二维码的编号为机器人全局位置信息的载体，其中，所述全局位置信息可以指机器人在整个移动地图中的位置坐标等信息。

所述高速相机102可以安装于所述移动机器人1的底部，用于以一定的速度拍照识别导航二维码，获取导航二维码2的信息。优选的，本说明书的一个实施中，可以设置所述高速相机的镜头中心与四个车轮对角线的交点重合。从而可以直接根据高速相机镜头中心的坐标值进行车轮的实时偏转角度计算和及时修正处理，更加简单方便的确定移动机器人当前位置、姿态信息。特别对于配有麦克纳姆轮的移动机器人，旋转时可以更加及时有效的修正机器人的运动姿态。同时，还可以确保在相机的高帧率及机器人的中低速运转情况下，接收和处理信息并进行机器人姿态调整的时间充足。

所述光电传感器103可以安装于所述移动机器人1底部，用于向所述导航光带3发射光信号、以及接受经所述导航光带3反射后的光信号。可以将光电传感器设置在车身前进方向的前端位置，位于高速相机之前，便于光电传感器预先识别下方导航光带，连续控制移动机器人的巡线运动。同时，还可以实现利用所述光电传感器进行导航输入信号的切换，使得导航输入信号的切换方式更加简单方便。

所述光电传感器103下端可以设置有多个用于接收或者发射光信号的端子。本说明书的一个实施例中，所述光电传感器的端子可以设置为发射与接收光信号集成于一体式结构。采用发射与接收为一体的端子结构，竖直向下的发射光线经过导航光带反射后可以直接进入接收端子。避免了分离式端子的光线角度调整及端子距离设计，降低系统设计的复杂程度，同时，还可以使得机器人姿态调整更为精准。

所述高速相机102以及光电传感器103可以与所述工控机101连接，所述工控机101可以用于接收所述高速相机102以及光电传感器103发出的信号，并可以根据所述信号调整所述移动机器人1的运动姿态。

具体实施时，可以根据应用场景中移动机器人需要遍历的路径点，规划成线，铺设导航光带3。如可以在预设线路的起始位置、终止位置、直线段每隔固定距离单独设置独立的导航二维码2。

高速相机102可以通过RS485/RJ45协议与工控机101相连，同时，可以将光电传感器103的信号输出端也接入工控机101。

所述工控机101可以通过设置在初始位置的导航二维码，获取行进指令，当然，也可以根据其他远程操控等方式获取行进指令。一些实施方式中，可以预先设置所述移动机器人1的导航输入信号接入端为光电传感器103。所述工控机101在接收到行进指令后，可以控制所述光电传感器103的端子发射光信号，光信号经地面铺设的导航光带3反射后回到光电传感器103，光电传感器的相应端子接收反射回的光信号。

所述光电传感器103可以判断所接收光线的端子位置信息，并将其反馈至工控机101。工控机101可以通过分析光电传感器接收反射光信号端子的数目与位置，确定移动机器人1相对于导航光带3的位置与角度，并调整移动机器人的运动姿态，保证机器人沿预设轨迹行进。

如，假设光电传感器拥有八个端子，分别编号Ⅰ—Ⅷ。当正常巡线导航时两个端子Ⅳ和Ⅴ同时工作，垂直发射的光信号经导航光带反射后，被两端子Ⅳ和Ⅴ重新接收。如果出现两个端子Ⅳ和Ⅴ中的任意一个端子接收的光信号消失，而临近端子接收到光信号，则证明车体偏离直线前进方向。假设端子Ⅳ接收信号消失，端子Ⅵ接收到反射光信号，则工控机可以向运动控制器发送指令，运动控制器控制电机带动车轮进行转动，调整车体向端子Ⅳ方向移动，直至端子Ⅳ重新获得反射回的光线信号。从而实现移动机器人位姿的连续在线调节，保证机器人沿预设轨迹行进。

当移动机器人1行进至导航二维码2处，可以利用高速相机102扫描识别导航二维码2。所述高速相机102的开启和关闭指令由工控机101发出，其触发信号由光电传感器103输入。具体实施时，工控机可以分析光电传感器的端子工作情况，当光电传感器的端子接收不到反射光线时或者接收反射光线的端子不满足要求时，工控机可以打开高速相机，并在导航二维码进入高速相机视场时，进行二维码的扫描识别。

如，当移动机器人移动到导航二维码附近，光电传感器位于二维码上方时，光电传感器的端子发射的光线照射到导航二维码上，无法正常反射回端子。工控机通过分析光电传感器端子的工作情况，可以以此作为触发信号，打开高速相机。然后，可以在预设时间后，关闭高速相机。所述预设时间可以通过分析二维码尺寸、光电传感器与高速相机间的距离、车速等确定。

本说明书的一个实施例中，可以在导航光带预设位置处设置信号反馈带，所述信号反馈带可以用于光电传感器行进至信号反馈带时，提供高速相机打开或者关闭的触发信号。具体实施时，当移动机器人的光电传感器位于信号反馈带上方时，工控机通过分析光电传感器的端子工作情况，开启或者关闭高速相机。

具体实施时，可以根据实际需要设计信号反馈带的形式以及位置，提高实际使用效果。一些实施方式中，所述信号反馈带如可以设置为宽度改变和形状改变等形式的光带。本说明书的一个或者多个实施例中，可以将所述信号反馈带设置成加宽、遮盖或者异形光带中的一种或者多种形式。

一些实施例中，可以在导航光带预设位置处截去一部分导航光带或者在导航光带上粘贴不反光障碍物，使得光电传感器端子接收不到导航光带发射回的光线，以此作为触发信号，打开或者关闭高速相机。

另一些实施例中，还可以在导航二维码预设位置处的导航光带加宽，使得接收到导航光带的端子数目增加，以此作为触发信号，打开或者关闭高速相机。如，正常巡线导航时两个端子Ⅳ和Ⅴ同时工作，若检测到编号为Ⅱ至Ⅶ的端子均同时工作，则可以依次作为触发信息，打开或者关闭高速相机。利用该方式作为触发信号，还可以有效保证光电传感器连续导航的精准性。

一个实施例中，对于关闭高速相机的信号反馈带，可以设置关闭高速相机的信号反馈带与导航二维码的距离稍大于或者等于高速相机与光电传感器的距离再加上二维码长度，以保证高速相机完整识别导航二维码，且不影响利用光电传感器对移动机器人进行巡线导航。

对于打开高速相机的信号反馈带，可以直接将导航二维码作为信号反馈带。也可以在导航二维码前方的位置另行单独设置信号反馈带，利用单独设置的信号反馈带,可以进一步使得触发信号更易判别，提高实际操作的准确性。

利用上述设置信号反馈带的方式，并与光电传感器进行配合，可以更加简单准确的实现光电传感器、高速相机间的导航输入信号切换，提高移动机器人运动姿态调整的精准性及简便性。

高速相机102可以以一定的速度扫描导航二维码2，并将导航二维码的图像传输至工控机101。本说明书的一个实施例中，可以设置所述高速相机扫描频率大于等于100帧/秒。当导航二维码2处于高速相机102视场范围内时，高速相机102可以以大于等于100帧/秒的速度扫描导航二维码2，以更加全面的识别导航二维码。

移动机器人1可以通过高速相机102识别导航二维码102，并将二维码图像发送至工控机101。工控机101可以先读取二维码的编号，工控机101可以通过先分析导航二维码的编号确定机器人的全局位置信息，从而确定机器人是否继续保持直行。如果确定移动机器人保持直行，工控机可以分析二维码的位置与机器人的位置相对关系，以确定机器人的运动姿态。

本说明书的一个实施例中，工控机101处理导航二维码信息后，可以建立二维坐标系并通过像素坐标转化方程得到移动机器人车轮交点和二维码中心的坐标值，以此计算出移动机器人当前位置、姿态信息。一些实施方式中，所述导航二维码2中心与高速相机102中心的距离和角度测量可以通过下述方式实现：

图4表示本说明书一个实施例中导航二维码中心与高速相机中心的距离及角度确定示意图。如图4所示，可以设置导航坐标系原点位于高速相机视场左下角，假设高速相机视场大小为S_L×S_W，分辨率为640×480，高速相机102中心点距离坐标系原点的横、纵坐标方向的像素点个数分别为a、b。则可以由工控机101分析确定导航二维码中心的横坐标值为x＝(a/S_L×640)-S_L/2，纵坐标的值为y＝(b/S_W×480)-S_W/2。相应的，可以确定出高速相机102中心和导航二维码2中心的连线与导航坐标系x轴正方向的夹角θ＝arctany/x。

然后，可以根据上述坐标及夹角，通过一定的换算关系确定移动机器人与二维码之间的位置相对关系，从而确定机器人的运动姿态。若高速相机中心与移动机器人的车轮对角线交点重合，则可以直接根据上述坐标及夹角信息判断移动机器人的运动姿态。

然后，可以根据上述坐标及夹角信息判断移动机器人是否偏离航线，如果偏离，则根据坐标及夹角信息确定待调整角度。工控机向运动控制器发送指令，运动控制器控制电机根据待调整角度调整车轮转向，从而实现机器人运动姿态的精准调整。

工控机101通过分析导航二维码2的码值信息、高速相机102中心与导航二维码2中心的相对位置、及二者与坐标原点连线的夹角等信息后，可以记录移动机器人当前全局位置，并修正光电巡线导航位置信息，同时对机器人运动姿态进行精确调整。从而在光电巡线连续导航的基础上，进一步提高机器人运动姿态调整的精确度。

移动机器人离开导航二维码路段后，高速相机关闭，导航输入信号切换至光电传感器，光电传感器继续为移动机器人提供巡线导航，直至行进到下一二维码位置。

本说明书上述实施例提供的导航系统，可以通过在导航光带上设置导航二维码，利用导航光带与移动机器人的光电传感器配合的同时，还可以利用导航二维码与移动机器人的高速相机配合。在移动机器人行进的过程中，通过光电传感器识别导航光带来保证连续导航。同时，还可以通过相机识别导航二维码，根据导航二维码确定机器人的全局位置信息，以及利用导航二维码与机器人的相对位置关系，进一步准确调整机器人的运动姿态，实现对机器人的位姿的精准调整。进一步的，还可以利用光电传感器进行导航输入信号的切换，使得导航输入信号的切换方式更加简单方便，并降低功耗。从而使得移动机器人精确完成复杂路径下的自主导航和全局定位。

本说明书的一个实施例中，可以设置所述导航光带的宽度为一倍端子间距至三倍端子间距之间的任意值。图5表示本说明书的一个实施例中导航光带结构示意图。如图5所示，可以设置导航光带3的宽度d_i介于光电传感器103相邻端子距离Δ_d和三倍相邻端子距离3Δ_d之间的任意值。利用本实施例的结构，可以保证光电传感器103始终有至少两信号端子能够正确接收到反射光线的信息，便于光电传感器在直线行进阶段对机器人车体位置实时调整。相应的，本说明书的一个或者实施例中，可以设置所述光电传感器的端子数目大于等于8个，以保证光电传感器的端子可以满足实际操作的需要。

所述导航二维码的尺寸可以根据高速相机的视场及移动机器人底部离地面的高度等综合确定，以保证移动机器人行进的过程中，导航二维码可以被有效识别。本说明书的一个实施例中，可以设置所述导航二维码的面积占高速相机视野面积的比例为1/9～1/5的任意值。二维码尺寸太小，会影响高速相机的有效识别，而导航二维码尺寸过大，则可能会出现相机视场内二维码占比太大，影响机器人位姿、方向的准确计算。本实施例通过在上述尺寸区间内设置导航二维码，可以更加有效的保证导航二维码的有效识别，提高机器人位姿、方向等确定的准确性。

具体实施时，可以根据应用场景中移动机器人1底盘与地面的垂直方向的距离，确定安装于底盘中央的高速相机102距离地面的高度H₀。根据高速相机102的感光面固定距离H_i和相机焦距f计算高速相机102的视场S＝H_i*H₀/f，并可以根据高速相机102的视场来调整导航二维码2的面积S′的大小。从而可以实现导航二维码2总面积占高速相机102视野面积比例介于1/9和1/5之间，即1/9≤S′/S≤1/5。

本说明书的一个实施例中，可以设置各导航二维码之间的距离移动机器人前进方向车身长度的1/4～1/2之间的任意值。实际操作中，若导航二维码设置的太过密集，则可能会造成高速相机开启关闭过于频繁，增加能耗；而导航二维码设置的太过稀疏，则又可能会影响机器人位置及姿态的实时更新、调整。本实施例通过将导航二维码的距离设置在上述区间内，可以在降低能耗的同时，有效保证机器人位置及姿态的实时更新、调整。

本说明书的另一个实施例中，还可以在移动机器人的移动路径角度调整位置处单独设置导航二维码，用于工控机根据导航二维码与移动机器人的相对位置关系，控制移动机器人完成指定角度的转弯动作。

具体的，可以在需要角度调整的对应位置(如需要转过一定角度的转弯处)单独设置导航二维码，以便于自动导航精确控制移动机器人的转角。当移动机器人1行进至需要转弯的位置时，移动机器人1通过高速相机102识别该处的导航二维码2，并发送给工控机101。工控机101首先根据编号确定机器人的全局位置，并根据全局位置预先确定是否转弯。如果需要转弯，则获取码值信息中的预设转弯角度及方向，并根据坐标信息(x，y坐标值)，确定车轮的转速及转向。然后，工控机向运动控制器发送转弯指令，运动控制器处理工控机发送的电机运动指令(即上述转弯指令)，并控制电机带动车轮按上述转速及转向进行转弯。

在转弯过程中，通过高速相机识别导航二维码，实时反馈给工控机，工控机根据上述实施例的方式计算二维码中心与高速相机中心之间的距离及角度，从而进一步确定移动机器人的实时位置及转弯角度。当达到预设转角之后，移动机器人停止转动，高速相机关闭，导航输入信号切换至光电传感器103，继续由光电传感器识别导航光带，控制机器人巡迹直行。导航输入信号的切换(即高速相机的关闭)可以参考上述实施方式进行，并可以进一步参考机器人是否达到预设角度来确定，以提高导航信号切换的准确性。

本说明书上述实施例，通过在需要转弯的位置单独设置导航二维码，工控机可以通过分析计算二维码中心与高速相机中心之间的距离及角度，实时确定移动机器人的位置及转弯角度，从而精准调控移动机器人的转弯动作。大大提高移动机器人的转弯控制精度。

本说明书的另一个实施例中，所述系统还可以包括远程控制端，相应的，如图1所示，所述移动机器人还包括无线通信模块104，所述工控机101可以通过所述无线通信模块104与所述远程控制端相连。如，可以设置工控机101与无线AP端子相连，无线AP设备支持IEEE 802.11ac Wave 2规范，可在5GHz频段提供1.3Tbps的数据率。并通过接入外接双极化全向增益天线实现无线信号的发射，远程操控设备(如平板电脑等)可以通过WLAN接入工控机101，从而实现对移动机器人的远程连接和控制。具体实施时，可以利用远程控制端进行远程开启和关闭机器人，并实施监控移动机器人的运动姿态。当出现机器人大幅度偏离预设轨迹或者其他(如急停等)特殊情况时，可以及时反馈至远程控制端，进行及时处理。

图6表示本说明书的一个或者多个实施例中的导航系统通信关系示意图，如图6所示，基于上述一个或者多个实施例提供的导航系统，本说明书实施例中还提供利用包括上述导航系统的移动机器人导航方法，所述方法可以包括：

工控机获取出发指令后，光电传感器的端子发射的光信号经导航光带反射后被相应端子接收，工控机通过判断光电传感器接收反射光信号端子的数目与位置确定移动机器人的运动姿态，并进行调整；

移动机器人到达导航二维码位置处，工控机根据光电传感器输入的触发信号控制高速相机打开，高速相机识别导航二维码图像并传输至工控机，工控机对导航二维码信息进行处理；

当工控机通过导航二维码的编号确定移动机器人直行时，根据导航二维码中心与高速相机中心的距离和角度调整移动机器人的运动姿态；

当工控机通过导航二维码的编号确定移动机器人转弯时，基于导航二维码码值信息包含的调整角度及方向，根据导航二维码中心与高速相机中心的距离和角度调整车轮转速及转向，使机器人完成指定角度的转弯动作；

移动机器人离开导航二维码路段后，工控机根据光电传感器输入的触发信号控制高速相机关闭，光电传感器继续为移动机器人提供巡线导航，直至行进到下一导航二维码位置。

可以预先根据应用场景中移动机器人需要遍历的路径点，规划成线，铺设导航光带3。

可以将各导航二维码2进行独立编号，并在预设线路的起始位置、终止位置、直线段每隔固定距离单独设置独立的导航二维码。

一些实施方式中，可以预先确定导航二维码的尺寸。如可以根据应用场景中移动机器人1底盘与地面的垂直方向的距离，确定安装于底盘中央的高速相机102距离地面的高度H₀。根据高速相机102的感光面固定距离H_i和相机焦距f计算高速相机102的视场S＝H_i*H₀/f，并可以根据高速相机102的视场来调整导航二维码2的面积S′的大小。从而可以使得导航二维码2的面积占高速相机102视野面积比例介于1/9和1/5之间，即1/9≤S′/S≤1/5。

具体实施时，可以预先设置移动机器人1的导航输入信号接入端为光电传感器103，所述工控机101在接收到行进指令后，所述光电传感器103的端子发射光信号，光信号经地面铺设的导航光带3反射回相应的端子。然后，工控机可以获取光电传感器103所接收光线的端子信息，根据接收光线的端子信息确定移动机器人相对于导航光带的位置与角度，从而实时获取移动机器人的位姿信息。并在移动机器人的前进方向出现偏差时，根据接收光线的端子信息调整机器人的车轮转向，保证移动机器人行进方向与预设路径平行，从而实现移动机器人位姿的在线调节。具体实施方案可以参考上述实施例实施，这里不做赘述。

当移动机器人1行进至导航二维码2处，工控机根据光电传感器输入的触发信号控制高速相机打开，高速相机识别导航二维码图像并传输至工控机。相应控制高速相机打开或者关闭的方案可以参考上述实施例实施，这里不做赘述。

高速相机102可以以大于等于100帧/秒的速度识别导航二维码2。工控机101可以预先获取导航二维码的编号，根据导航二维码的编号确定导航二维码的全局位置信息，从而确定移动机器人继续直行还是转弯。若根据导航二维码的编号确定直行时，可以根据导航二维码中心与高速相机中心的距离和角度调整移动机器人的运动姿态。确定及调整移动机器人运动姿态的方案可以参考上述实施例实施，这里不做赘述。并还可以将移动机器人1所处位置信息反馈给远程控制端，实现全局位置和姿态信息实时更新。

若根据导航二维码的编号确定移动机器人需转弯时，工控机基于码值信息中的调整角度及方向，根据导航二维码中心与高速相机中心的距离和角度调整车轮转速及转向，使机器人完成指定角度的转弯动作。

当移动机器人1行进至需要转弯的位置时，移动机器人1可以首先通过高速相机102识别该处的导航二维码2的编号，其码值信息可以包含预设转弯方向和角度等信息，并将上述信息发送至工控机101。工控机101将转弯指令下达给移动机器人1的运动控制器，以控制车轮的转速以及转弯角度；并在转弯过程中，通过实时分析高速相机中心与二维码中心之间的距离与角度，实时调整车轮的转速以及转弯角度。

如移动机器人1偏离预设轨迹，则还可以即时反馈至控制器来进行移动机器人的位姿调整，保证转弯过程精度控制。当到达预设转角之后，关闭高速相机102，导航输入信号切换至光电传感器103。从而，通过在需要角度调节的位置单独设置导航二维码，既可以大大提高移动机器人的转弯控制精度，又可以达到降低移动机器人能耗、实时获取航向信息和位置信息的目的。

本说明书的一个实施例中，可以采用下述方式确定所述导航二维码中心与高速相机中心的距离和角度：根据像素坐标转化方程得到导航二维码中心与高速相机中心的坐标值；根据所述导航二维码中心与高速相机中心的坐标值确定所述导航二维码中心与高速相机中心的距离及角度。

工控机处理导航二维码信息后，可以建立二维坐标系并通过像素坐标转化方程得到导航二维码中心与高速相机中心的坐标值，根据所述导航二维码中心与高速相机中心的坐标值导航二维码中心与高速相机中心的距离及角度，以此计算出移动机器人当前位置、姿态信息。一些实施方式中，所述导航二维码中心与高速相机中心的距离和角度测量可以通过下述方式实现：

图4表示本说明书一个实施例中导航二维码中心与高速相机中心的距离及角度确定示意图。如图4所示，可以设置导航坐标系原点位于高速相机视场左下角，假设高速相机视场大小为S_L×S_W，分辨率为640×480，高速相机102中心点距离坐标系原点的横、纵坐标方向的像素点个数分别为a、b。则可以由工控机101分析确定导航二维码中心的横坐标值为x＝(a/S_L×640)-S_L/2，纵坐标的值为y＝(b/S_W×480)-S_W/2。相应的，可以确定出高速相机102中心和导航二维码2中心的连线与导航坐标系x轴正方向的夹角θ＝arctany/x。

然后，可以根据上述距离及夹角，通过一定的换算关系确定移动机器人与二维码之间的位置相对关系，从而确定机器人的当前位置和运动姿态。若高速相机中心与移动机器人的车轮对角线交点重合，则可以直接根据上述夹角信息判断移动机器人的当前位置和运动姿态。利用上述方式可以更加准确高效的确定机器人的当前位置和运动姿态，从而实现机器人在复杂路径下的精确导航。

移动机器人行进至终止位置，可以通过高速相机识别停止二维码信息，并发送给工控机，工控机控制移动机器人停止动作；或由远程操作端直接向工控机发送停止指令，移动机器人停止动作。

本说明书上述实施例提供的导航系统及导航方法，可以通过在导航光带预设位置上设置导航二维码，利用导航光带与光电传感器配合连续调整机器人巡线前行的同时，还可以利用导航二维码与高速相机配合，更加精准的调整移动机器人的运动姿态。从而实现移动机器人在复杂路径下精确的自主导航和全局定位。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。本申请说明书附图仅仅只是示意图，不代表各个部件的实际结构。

以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的实施例而已，并不用于限制本本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种移动机器人导航系统，其特征在于，所述系统包括移动机器人、导航二维码以及导航光带，所述移动机器人包括工控机、高速相机以及光电传感器；其中，

所述导航光带按照预设线路进行铺设，所述导航二维码固定设置在所述导航光带预设位置上；

所述高速相机安装于所述移动机器人底部，用于获取导航二维码信息；

所述光电传感器安装于所述移动机器人底部的前端位置，用于向所述导航光带发射光信号、以及接受经所述导航光带反射后的光信号；其中，所述光电传感器下端设置有多个用于接收或者发射光信号的端子；

所述高速相机以及光电传感器与所述工控机连接；所述光电传感器被设置为所述移动机器人的导航输入信号的接入端；

所述工控机获取所述高速相机以及光电传感器发送出的信号，并根据所述信号调整所述移动机器人的运动姿态，包括：所述工控机根据光电传感器接收反射光信号端子的数目与位置，确定所述移动机器人相对于导航光带的位置与角度，以调整所述移动机器人的运动姿态；

以及，所述工控机还根据接收到的所述光电传感器的端子工作情况，控制高速相机的开启和关闭。

2.根据权利要求1所述的移动机器人导航系统，其特征在于，所述移动机器人的移动路径角度调整位置处单独设置有导航二维码，用于工控机根据导航二维码与移动机器人的相对位置关系，控制移动机器人完成指定角度的转弯动作。

3.根据权利要求1所述的移动机器人导航系统，其特征在于，所述导航二维码之间的距离包括移动机器人前进方向车身长度的1/4～1/2之间的任意值。

4.根据权利要求1所述的移动机器人导航系统，其特征在于，所述导航二维码的面积占高速相机视野面积的比例为1/9～1/5的任意值。

5.根据权利要求1所述的移动机器人导航系统，其特征在于，所述高速相机的镜头中心与移动机器人车轮对角线的交点重合，所述高速相机扫描频率大于等于100帧/秒。

6.根据权利要求1所述的移动机器人导航系统，其特征在于，所述导航光带的宽度包括一倍端子间距至三倍端子间距之间的任意值。

7.根据权利要求1所述的移动机器人导航系统，其特征在于，所述光电传感器的端子为光信号发射与接收一体式集成结构。

8.根据权利要求1所述的移动机器人导航系统，其特征在于，所述导航光带预设位置处设置有信号反馈带，用于光电传感器行进至信号反馈带时，提供高速相机打开或者关闭的触发信号。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的导航系统的移动机器人导航方法，其特征在于，所述方法包括：

工控机获取出发指令后，光电传感器的端子发射的光信号经导航光带反射后被相应端子接收，工控机通过判断光电传感器接收反射光信号端子的数目与位置确定所述移动机器人相对于导航光带的位置与角度，以确定移动机器人的运动姿态，并进行调整；

移动机器人到达导航二维码位置处，工控机根据接收到的光电传感器的端子工作情况控制高速相机打开，高速相机识别导航二维码图像并传输至工控机，工控机对导航二维码信息进行处理；

当工控机通过导航二维码的编号确定移动机器人直行时，根据导航二维码中心与高速相机中心的距离和角度调整移动机器人的运动姿态；

当工控机通过导航二维码的编号确定移动机器人转弯时，基于导航二维码码值信息中包含的调整角度及方向，根据导航二维码中心与高速相机中心的距离和角度调整车轮转速及转向，使机器人完成指定角度的转弯动作；

移动机器人离开导航二维码路段后，工控机根据接收到的光电传感器的端子工作情况控制高速相机关闭，工控机继续通过判断光电传感器接收的反射光信号端子的数目与位置，调整所述移动机器人的运动姿态，直至行进到下一导航二维码位置。

10.根据权利要求9所述的移动机器人导航方法，其特征在于，采用下述方式确定所述导航二维码中心与高速相机中心的距离和角度：

根据像素坐标转化方程得到导航二维码中心与高速相机中心的坐标值；

根据所述导航二维码中心与高速相机中心的坐标值确定所述导航二维码中心与高速相机中心的距离及角度。

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