CN109782768A - 一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自主导航系统，更具体的说是一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统,控制系统、驱动系统、传感系统和执行机构，传感系统包括激光雷达和Xtion PRO Live传感器，激光雷达获取环境轮廓信息，Xtion PRO Live传感器获得环境的图像信息和深度信息，激光雷达和Xtion PRO Live传感器均通过SLAM算法建立地图信息，所述传感系统通过串口将信号传输给控制系统，控制系统通过串口将信号传输给驱动系统，驱动系统对执行机构进行驱动；通过结合激光雷达和RGBD视觉传感器；对不同高度的障碍物进行合理处理，使机器人配合内行星复合轮系平稳翻越大部分障碍，并合理规划路径躲避大型障碍，同时使机器人避免驶入低于水平面的坑洼地带，防止机器人跌落损伤。
Description
技术领域
本发明涉及一种自主导航系统，更具体的说是一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统。
背景技术
典型的建图方案是利用激光雷达获取周围障碍物轮廓并结合slam算法进行同时定位和地图绘制，或者利用视觉传感器获取环境信息以形成点云“PCL”，通过降维功能包使其转化为二维地图；ROS导航功能包需要采集必要的传感器信息，以达到实时避障的效果，较为经典的底盘传感器方案是在底盘处对称分布三个或以上的超声波或红外传感器以检测低于激光雷达的障碍物，采用多个底盘传感器是因为超声波或红外传感器都具有最小探测角，满足导航所需探测范围需要的传感器数量较多，算法较为复杂。
传统的自主导航方案靠在底盘加超声波或红外传等传感器弥补激光雷达的最小高度限制，由于这些传感器的探测角度不大，往往需要在机器人底盘设置多个以应对各个方向的低高度障碍物，这样就会使程序更加复杂，减小了导航的快速性，而且这种方式本质上只是在激光雷达的探测平面下多增加了一个探测平面，依然无法获取到前方坑洼地带的信息，从而无法避免机器人驶入低于水平面的坑洼地带。
发明内容
本发明的目的是提供一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统，可以通过结合激光雷达和RGBD视觉传感器，以综合两者的优点；对不同高度的障碍物进行合理处理，使机器人配合内行星复合轮系平稳翻越大部分障碍，并合理规划路径躲避大型障碍，同时可以使机器人避免驶入低于水平面的坑洼地带，防止机器人跌落损伤。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统，包括控制系统、驱动系统、传感系统和执行机构，所述传感系统通过串口将信号传输给控制系统，控制系统通过串口将信号传输给驱动系统，驱动系统对执行机构进行驱动。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统，所述控制系统采用嵌入式开发设备JETSON TX2处理器，JETSON TX2处理器上装载了ROS机器人系统。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统，所述传感系统包括激光雷达和Xtion PRO Live传感器，激光雷达获取环境轮廓信息，Xtion PRO Live传感器获得环境的图像信息和深度信息，激光雷达和XtionPRO Live传感器均通过串口将信号传输给ROS机器人系统，激光雷达和Xtion PRO Live传感器均通过SLAM算法建立地图信息。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统，所述执行机构包括3508电机、传动机构和内行星式复合轮系，3508电机和传动机构传动连接，传动机构和内行星式复合轮系传动连接。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统，所述驱动机构包括OpenCR板、C620电调和RoboMaster开发板A型，RoboMaster开发板A型主控芯片为STM32单片机，ROS机器人系统通过串口将信号传输给OpenCR板，OpenCR板通过串口将信号传输给STM32单片机，STM32单片机通过can总线将信号传输给C620电调，C620电调电调驱动M3508电机，C620电调获取M3508电机转子旋转圈数，C620电调通过can总线将信号反馈给STM32单片机，STM32单片机上传到OpenCR板，OpenCR运算成里程反馈给ROS系统。
本发明一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统的有益效果为：
本发明一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统，激光雷达与Xtion PRO Live传感器结合的slam算法，激光雷达负责二维平面地图建立，Xtion PROLive传感器负责坑洼的探测，slam是基于二维地图和坑洼信息进行建图和定位；实现激光雷达和Xtion PRO Live传感器产生的视觉识别结合越障型内行星式复合轮系的低矮障碍物处理方法，实现导航算法对不同高度障碍的处理方式；实现内行星式复合轮系、XtionPRO Live传感器和激光雷达的搭配使用及位置协调方式。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明机器人硬件的结构组成框图；
图2是本发明ROS中导航功能框架的结构框图；
图3是本发明算法对不同高度障碍物处理的原理图；
图4是本发明内行星式复合轮的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式一：
下面结合图1-4说明本实施方式，一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统，包括控制系统、驱动系统、传感系统和执行机构，所述传感系统通过串口将信号传输给控制系统，控制系统通过串口将信号传输给驱动系统，驱动系统对执行机构进行驱动；通过结合激光雷达和RGBD视觉传感器，以综合两者的优点；对不同高度的障碍物进行合理处理，可以使机器人避免驶入低于水平面的坑洼地带，防止机器人跌落损伤。
具体实施方式二：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述控制系统采用嵌入式开发设备JETSON TX2处理器，JETSON TX2处理器上装载了ROS机器人系统；控制系统采用嵌入式开发设备JETSON TX2处理器，JETSONTX2处理器是一台基于NVIDIAPascalTM架构的AI单模块超级计算机；JETSON TX2处理器上集成了ROS机器人系统，可以实现激光雷达和Xtion PRO Live传感器数据的采集；控制系统采用嵌入式开发设备JETSONTX2处理器，JETSON TX2处理器上装载了ROS机器人系统，通过远程主机上ROS系统进行机器人上ROS系统监督，ROS机器人系统根据机器人运动进行导航算法计算，通过ROS机器人系统的分布式通信机制反馈到远程主机上，其动态变化情况可在远程主机的Rviz和Gazebo等软件上呈现，用户可在远程主机的Rviz上设定目标点和打开摄像头进行实景探测等，从而实现了人机交互。
具体实施方式三：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述传感系统包括激光雷达和Xtion PRO Live传感器，激光雷达获取环境轮廓信息，Xtion PROLive传感器获得环境的图像信息和深度信息，激光雷达和Xtion PRO Live传感器均通过串口将信号传输给ROS机器人系统，激光雷达和Xtion PRO Live传感器均通过SLAM算法建立地图信息。
具体实施方式四：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述执行机构包括3508电机、传动机构和内行星式复合轮系，3508电机和传动机构传动连接，传动机构和内行星式复合轮系传动连接；图4所示，内行星式复合轮系承重轮偏心滑动设计减少爬楼时货物颠簸，亏越障碍时候能够使内行星式复合轮系的承重轮沿车轮外毂的圆弧轨迹向上滑动，减少了装置重心的高度变化；M3508减速电机套装为高性能机器人平台而生，执行机构中的内行星式复合轮系可以是专利号201610414863.2，名称一种多功能带载爬楼车中使用的轮系。
具体实施方式五：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述驱动机构包括OpenCR板、C620电调和RoboMaster开发板A型，RoboMaster开发板A型主控芯片为STM32单片机，ROS机器人系统通过串口将信号传输给OpenCR板，OpenCR板通过串口将信号传输给STM32单片机，STM32单片机通过can总线将信号传输给C620电调，C620电调电调驱动M3508电机，C620电调获取M3508电机转子旋转圈数，C620电调通过can总线将信号反馈给STM32单片机，STM32单片机上传到OpenCR板，OpenCR运算成里程反馈给ROS系统；OpenCR板是ROS的开源控制模块。在OpenCR板内的STM32F7系列芯片是基于一个非常强大的ARMCORTEX-M7与浮点单元，其上集成了IMU里程计用于辅助定位及导航；RoboMaster开发板A型主控芯片为STM32F427IIH6，拥有丰富的扩展接口和通信接口，板载IMU传感器，可配合RoboMaster出品的M3508、M2006直流无刷减速电机、UWB模块以及妙算等产品使用，亦可配合DJI飞控SDK使用，配件丰富；C620无刷电机调速器采用32位定制电机驱动芯片，配合磁场定向控制“FOC”技术，实现对电机转矩的精确控制，与M3508直流无刷减速电机搭配，组成强大的动力套件；OpenCR板通过串口通讯机制获取ROS机器人系统下发的速度信号，OpenCR板进行运算获取机器人左右段M3508电机转子速度，通过串口通讯机制下发速度信息到STM32单片机上，STM32单片机通过can总线下发速度信息到C620电调上，C620电调驱动M3508电机，同时获取M3508电机转子旋转圈数，通过STM32单片机上传到OpenCR板上，OpenCR板运算成里程反馈给ROS机器人系统。
本发明的一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统，其工作原理为：
如图3所示，本自主导航系统针对不同高度环境信息有不同的处理方式：地面以下“深坑等”的信息由激光雷达和Xtion PRO Live传感器获取其深度信息，路径规划时会将其视为障碍物，在RVIZ软件上实时显示；地面以上到内行星式复合轮系所能越过最高障碍物的高度平面以下的障碍物由内行星式复合轮系处理，由于内行星式复合轮系的独特设计，使其可以轻松越过轮系0.65倍高度的障碍物，由于其不需要像普通轮系那样越障时需要加速度，该内行星式复合轮系越障时更加平稳，对激光雷达获取信息干扰小；内行星式复合轮系所能越过障碍物最大高度平面到激光雷达平面的障碍物超过内行星式复合轮系所能作用高度，其主要是靠激光雷达配合Xtion PRO Live传感器捕获，当激光雷达配合Xtion PROLive传感器获取深度信息后，在ROS机器人系统内解析其高度，并将其作为障碍物实时显示在RVIZ上，以方便局部路径规划；当障碍物达到激光雷达平面时，便可以利用激光雷达获取其信息，这时便采用传统导航方案。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统，包括控制系统、驱动系统、传感系统和执行机构，其特征在于：所述传感系统通过串口将信号传输给控制系统，控制系统通过串口将信号传输给驱动系统，驱动系统对执行机构进行驱动。
2.根据权利要求1所述的一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统，其特征在于：所述控制系统采用嵌入式开发设备JETSON TX2处理器，JETSON TX2处理器上装载了ROS机器人系统。
3.根据权利要求2所述的一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统，其特征在于：所述传感系统包括激光雷达和Xtion PRO Live传感器，激光雷达获取环境轮廓信息，Xtion PRO Live传感器获得环境的图像信息和深度信息，激光雷达和Xtion PROLive传感器均通过串口将信号传输给ROS机器人系统，激光雷达和Xtion PRO Live传感器均通过SLAM算法建立地图信息。
4.根据权利要求3所述的一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统，其特征在于：所述执行机构包括3508电机、传动机构和内行星式复合轮系，3508电机和传动机构传动连接，传动机构和内行星式复合轮系传动连接。
5.根据权利要求4所述的一种适配于内行星式复合轮系搬运机器人的自主导航系统，其特征在于：所述驱动机构包括OpenCR板、C620电调和RoboMaster开发板A型，RoboMaster开发板A型主控芯片为STM32单片机，ROS机器人系统通过串口将信号传输给OpenCR板，OpenCR板通过串口将信号传输给STM32单片机，STM32单片机通过can总线将信号传输给C620电调，C620电调电调驱动M3508电机，C620电调获取M3508电机转子旋转圈数，C620电调通过can总线将信号反馈给STM32单片机，STM32单片机上传到OpenCR板，OpenCR运算成里程反馈给ROS系统。
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