CN109186463A - 应用于可移动机器人的防跌落方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于可移动机器人的防跌落方法，包括可移动机器人及控制系统，所述的机器人设有与控制系统连通的二维激光测距传感器，包括如下步骤：1)控制系统获取二维激光测距传感器的激光数据，并校准激光传感器离地距离基准值；2)控制系统根据激光点数据的位置特征进行线性拟合，构建二维场景，进行悬崖检测；3)当控制系统检测到前方有悬崖后，发送警示指令给可移动机器人。本发明检测方式是二维的，将探测到的激光点数据解析成线段数据进行分析，保留了障碍物的形状特征，减小了单次检测错误率，初始化测量基准值，使得测量具有自适应性，操作难度小，相比传统的单点或多点检测，应用环境更广，特别是在孔洞地板上有较好的效果。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人导航控制技术领域，特别涉及一种应用于可移动机器人的防跌落方法。
背景技术
随着机器人导航技术的发展，可移动性已经不仅仅是对应用于生产的机器人的需求。如今，包括智能轮椅、智能扫地机器人在内的服务机器人对导航和避障的稳定性有越来越高的要求。然而，机器人工作环境比较复杂，特别是室内环境中有台阶、楼梯、陡坡、凹坑等环境因素，如果没有有效的防跌落方法，机器人很容易在跌落中受到巨大损坏。
在现有技术，绝大多数的防跌落方法采用红外传感器作为防跌落传感器，例如中国公开专利(CN106228795A)中通过使用多个红外收发模块向不同方向发送编码信号，如果在预定时间内没有接收到反射的信号则停止前进，起到防跌落的作用；又例如中国公开专利(CN107092259A)中，结合红外传感器和超声波传感器获取机器人到障碍物的距离，以此判断机器人是否处于认定跌落的距离范围；中国公开专利(CN108020844A)提出了一种悬崖检测方法，在红外测距的基础上，根据反射光强度变化做出判断，减少由地面材质引起的误判。
尽管这些技术能在很大程度上减小机器人发生跌落的可能性，仍然受到地面颜色和材质的制约，对于有孔洞的地面，例如机房地面散热板，这些方法就不再适用。
发明内容
本发明是为了解决现有机器人导航技术受到地面颜色和材质的制约，对于有孔洞的地面不能适用的问题，提供一种使用二维激光测距传感器进行检测，检测方式是二维的，不仅仅考虑探测到的障碍物的距离，而是将探测到的激光点数据解析成线段数据进行分析，保留了障碍物的形状特征，减小了单次检测错误率的应用于可移动机器人的防跌落方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案，应用于可移动机器人的防跌落方法，包括可移动机器人及控制系统，所述的机器人设有与控制系统连通的二维激光测距传感器，包括如下步骤：1)控制系统获取二维激光测距传感器的激光数据，并校准激光传感器离地距离基准值；2)控制系统根据激光点数据的位置特征进行线性拟合，构建二维场景，进行悬崖检测；3)当控制系统检测到前方有悬崖后，发送警示指令给可移动机器人。
作为优选，所述的步骤1)中包括如下步骤：A)根据二维激光传感器安装的角度和高度，计算激光正前方沿激光光束方向到地面的距离，这个距离为激光传感器离地距离基准值；B)机器人在平整地面上初始化时，获取二维激光传感器的激光数据，将激光数据拟合成线段后，计算激光安装位置到拟合线段的距离；C)结合步骤A)和B)得到的结果，用公式校准激光传感器离地距离的基准值。
作为优选，所述的步骤2)中包括如下步骤：D)以使用的二维激光测距传感器为原点，将扫描平面作为坐标平面，正前方为x轴正方向，向左为y轴正方向，建立二维直角坐标平面；E)根据每个激光点的发射角度和距离信息，将各个激光点映射到所建立的二维直角坐标平面上进行线性拟合后得到若干条线段；F)筛选出符合条件的拟合线段，并根据剩下拟合线段的距离判断前方是否是悬崖。
因此，本发明具有如下有益效果：检测方式是二维的，将探测到的激光点数据解析成线段数据进行分析，保留了障碍物的形状特征，减小了单次检测错误率，初始化测量基准值，使得测量具有自适应性，结果更准确，操作难度小，相比传统的单点或多点检测，应用环境更广，特别是在孔洞地板上有较好的效果。
附图说明
图1是本发明的二维激光传感器安装及测量示意图。
图2是本发明的流程示意图。
图3是本发明的步骤1)流程示意图。
图4是图3中S1-4流程示意图。
图5是本发明的步骤2)流程示意图。
图6是本发明实施例的测量过程示意图一。
图7是本发明实施例的测量过程示意图二。
图中：1、可移动机器人 2、二维激光测距传感器 3、悬崖。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示，应用于可移动机器人的防跌落方法，包括可移动机器人1及控制系统，可移动机器人1设有与控制系统连通的二维激光测距传感器2；
如图2所示，应用于可移动机器人的防跌落方法，包括如下步骤：
S1通过二维激光测距传感器获取带有距离信息的数据，根据二维激光测距传感器的安装高度和角度初始化二维激光测距传感器离地面距离的基准值；
S2如果步骤S1初始化成功，实时获取激光数据，将激光数据线性拟合成扫描平面上的线段，根据拟合线段的位置和形状特征筛选出符合条件的线段，分析剩下的拟合线段，进行悬崖检测，如果步骤S1初始化失败，则认为检测到悬崖，直接执行步骤S3；
S3检测到悬崖后，发出报警信号，使机器人执行相应的防跌落操作；
如图3所示，所述步骤S1中，包括如下步骤：
S1-1获取二维激光测距传感器的安装高度和角度参数，根据三角关系计算激光扫描到地面时的距离值，作为离地距离的估计值，在本实施例中，使用的二维激光测距传感器是镭神智能生产的固态线激光雷达LS02B，最大检测距离是4米，角分辨率是0.5度，安装在机器人正前方，方向前倾，激光传感器正前方方向与竖直垂线夹角50度，垂直离地高度0.64米，激光正前方沿激光光束方向距离地面的距离约为1.0米，这个距离叫做激光传感器离地距离基准值；
S1-2机器人初始化时，以二维激光测距传感器为原点，正前方为x轴正方向，向左为y轴正方向，在激光扫描平面上实时建立二维坐标平面，将从二维激光测距传感器获取的距离数据转换为位置信息映射到所建立的二维坐标平面上；
S1-3对坐标平面上的激光点进行线性拟合，获取贴合激光点形状特征的拟合线段，线段间的最小距离设置为0.05米；
S1-4根据拟合线段的长度和斜率筛选去除不符合条件的拟合线段，排除其他环境因素例如墙壁、机柜转角的干扰，分别计算剩下的拟合线段到坐标原点的距离；
S1-5将步骤S1-4中得到的各个距离数值与传感器离地距离估计值比较，如果误差在正负10％及以内，则认为该数值有效，保留此距离数值；
S1-6如果步骤S1-5中没有获得有效的距离数值，而且尝试次数小于设定的最大值，使机器人向前移动一个微小的距离，比如1cm，然后重新尝试初始化，再次执行步骤S1-2到S1-5，如果得到至少一个有效的距离数值，则进行步骤S1-7，否则直到尝试次数达到设置的最大值时初始化失败；
S1-7计算所有有效距离数值的平均值，并将这个平均值作为初始化的距离基准值，初始化成功；
如图4所示，作为优选，所述步骤S1-4中还包括如下步骤：
S1-4-1计算拟合线段的长度和与坐标轴x轴的夹角；
S1-4-2剔除角度不符合设定条件的拟合线段，本实施例中，将角度范围设置成-45度到45度，与x轴夹角在这个范围内的线段被去除；
S1-4-3剔除长度不符合设定条件的拟合线段，本实施例中，长度小于0.1米的线段被去除；
如图5所示，所述步骤S2进一步包括如下步骤：
S2-1从所述步骤S1获取二维激光测距传感器离地距离基准值，并根据基准距离设置判定悬崖的阈值；
S2-2从传感器获取激光数据，使用所述步骤S1-3中的方法并将传感器所在位置作为原点构建二维坐标平面坐标系；
S2-3从激光测距传感器获取数据，将激光点映射到所建立的二维坐标平面后，进行线性拟合得到拟合线段；
S2-4根据机器人的尺寸大小设置认为无法通过的限定区域，本实施例中，y轴方向-0.6米到0.6米设置为限定区域，并筛选出中点在这个区域内并且长度不小于0.3米的拟合线段；
S2-5计算符合条件的各条拟合线段到坐标原点的距离；
S2-6如果距离数值都不大于步骤S2-1所得的距离阈值，则继续检测，重复执行步骤S2-2到步骤S2-4，否则判定前方有跌落危险，返回值是检测到有悬崖；
如图6、图7所示，图6表示可移动机器人1没有检测到悬崖的临界情况，二维激光测距传感器2的检测角度决定了可移动机器人1与悬崖3之间的最大安全距离，最大安全距离与可移动机器人1的制动距离(可供机器人做出防跌落反应的最大距离)相关，最大安全距离大于制动距离；图7表示检测到悬崖3的情况，在这种情况下，可移动机器人1在控制系统操作下会做出相应的防跌落反应。
Claims (3)
1.一种应用于可移动机器人的防跌落方法，包括可移动机器人及控制系统，其特征在于，所述的机器人设有与控制系统连通的二维激光测距传感器，包括如下步骤：
1)控制系统获取二维激光测距传感器的激光数据，并校准激光传感器离地距离基准值；
2)控制系统根据激光点数据的位置特征进行线性拟合，构建二维场景，进行悬崖检测；
3)当控制系统检测到前方有悬崖后，发送警示指令给可移动机器人。
2.根据权利要求1所述的应用于可移动机器人的防跌落方法，其特征是，所述的步骤1)中包括如下步骤：
A)根据二维激光传感器安装的角度和高度，计算激光正前方沿激光光束方向到地面的距离，这个距离为激光传感器离地距离基准值；
B)机器人在平整地面上初始化时，获取二维激光传感器的激光数据，将激光数据拟合成线段后，计算激光安装位置到拟合线段的距离；
C)结合步骤A)和B)得到的结果，用公式校准激光传感器离地距离的基准值。
3.根据权利要求1所述的应用于可移动机器人的防跌落方法，其特征是，所述的步骤2)中包括如下步骤：
D)以使用的二维激光测距传感器为原点，将扫描平面作为坐标平面，正前方为x轴正方向，向左为y轴正方向，建立二维直角坐标平面；
E)根据每个激光点的发射角度和距离信息，将各个激光点映射到所建立的二维直角坐标平面上进行线性拟合后得到若干条线段；
F)筛选出符合条件的拟合线段，并根据剩下拟合线段的距离判断前方是否是悬崖。
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Denomination of invention: Fall prevention method applied to mobile robot Effective date of registration: 20220513 Granted publication date: 20211207 Pledgee: Hangzhou Yuhang sub branch of China Construction Bank Co.,Ltd. Pledgor: ZHEJIANG WOOSIYUAN COMMUNICATION TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2022330000692 |
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