CN110082774A - 一种自动对位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动对位方法，包括：通过机器人上安装的激光雷达传感器检测预置在辅助定位板两端的反光条的位置；根据所述辅助定位板两端的反光条位置，获取所述辅助定位板的中心位姿；获取所述机器人的当前位姿；根据所述辅助定位板的中心位姿，结合所述机器人的当前位姿，控制所述机器人抵达所述对位的目标点位置，完成对位。此外，本发明还公开了一种自动对位系统，包括两端设有反光条的辅助定位板和设有激光雷达传感器的机器人。本发明在使用单线激光雷达，不增加额外昂贵探测传感器的前提下，实现高精度对位。
Description
技术领域
本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种自动对位方法及系统。
背景技术
随着技术的发展创新，机器人在实际场景中应用越来越广泛。常见的有以单线激光雷达为探测传感器，激光slam方式的定位，精度通常是厘米级别的。为了能让机器人更智能化，实现与其他机器人，或传输带等设备完成自动传递物品的功能，需要机器人有很高的对位精度，通常需要小于5mm的对位精度，否则会出现物品交接失败的问题。为了提高对位精度，使用多线激光雷达，会有改善，但由于多线激光雷达价格昂贵，会大大增加成本。而视觉定位方式，由于算法复杂，会增加开发成本。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明提供一种自动对位方法及系统，在使用单线激光雷达，不增加额外昂贵探测传感器的前提下，实现高精度对位。具体的，本发明的技术方案如下：
一方面，本发明公开了一种自动对位方法，包括：
通过机器人上安装的激光雷达传感器检测预置在辅助定位板两端的反光条的位置；所述辅助定位板安装在需要对位的目标点位置，且其安装高度与所述激光雷达传感器的设置高度一致；
根据所述辅助定位板两端的反光条位置，获取所述辅助定位板的中心位姿；
获取所述机器人的当前位姿；
根据所述辅助定位板的中心位姿，结合所述机器人的当前位姿，控制所述机器人抵达所述对位的目标点位置，完成对位。
进一步地，所述通过机器人上安装的激光雷达传感器检测预置在辅助定位板两端的反光条的位置包括：
通过机器人上安装的激光雷达传感器扫描所述辅助定位板；
接收反射回来的激光束；
遍历所有反射回来的激光束，提取激光强度大于预设强度的激光束作为目标激光束；所述目标激光束为所述辅助定位板上的反光条反射回来的激光束；
获取所述目标激光束对应的反射激光点的中心坐标；
根据所述所有目标激光束对应的反射激光点的中心坐标，获取所述辅助定位板上的反光条的位置坐标。
进一步地，所述根据所述辅助定位板的中心位姿，结合所述机器人的当前位姿，控制所述机器人抵达所述对位的目标点位置，完成对位；具体包括：
将所述机器人当前位姿作为开始对位的起始位姿；
将所述辅助定位板的中心位姿作为对位的目标位姿；
计算所述机器人的对位速度，控制所述机器人到达所述对位的目标位置，且完成目标位姿。
进一步地，所述计算所述机器人的对位速度，控制所述机器人到达对位的目标位置，且完成目标位姿包括：
根据所述起始位姿、目标位姿，获取所述机器人从起始位置到目标位置的目标朝向；
根据所述目标朝向通过PID实时计算所述机器人的角速度；
根据所述机器人的朝向与所述目标朝向的夹角大小实时调整所述机器人的线速度；
实时控制所述机器人根据所述角速度、所述线速度进行运动，直到到达对位的目标位置，完成目标位姿。
进一步地，根据所述机器人的朝向与所述目标朝向的夹角大小实时调整所述机器人的前进速度包括：
获取目标夹角的度数；所述目标夹角为所述机器人朝向与所述目标朝向的夹角；
当所述目标夹角的度数大于预设的最大夹角度数时，控制所述机器人的线速度为0；
当所述目标夹角的度数大于0，小于所述预设的最大夹角时，根据所述目标夹角的度数、所述机器人当前的线速度，调整所述机器人的线速度大小；
当所述目标夹角的度数等于0时，控制所述机器人的线速度为预设的最大线速度。
另一方面，本发明还公开了一种自动对位系统，包括安装在需要对位的目标点位置的辅助定位板，及机器人；所述辅助定位板的两端设有反光条；所述机器人包含自动对位装置，所述自动对位装置包括安装在所述机器人上的激光雷达传感器；所述辅助定位板的安装高度与所述激光雷达传感器的设置高度一致；其中：
所述激光雷达传感器，用于通过检测预置在辅助定位板两端的反光条的位置；
所述自动对位装置还包括：
定位板确定模块，用于根据所述辅助定位板两端的反光条位置，获取所述辅助定位板的中心位姿；
机器人位姿获取模块，用于获取所述机器人的当前位姿；
对位控制模块，用于根据所述辅助定位板的中心位姿，结合所述机器人的当前位姿，控制所述机器人抵达所述对位的目标点位置，完成对位。
进一步地，所述激光雷达传感器包括：
信号发射模块，用于发射激光束扫描所述辅助定位板；
信号接收模块，用于接收反射回来的激光束；
信号处理模块，用于对所述反射回来的激光束进行数据处理，定位所述辅助定位板两端的反光条位置；具体包括：
遍历子模块，用于遍历所有反射回来的激光束，提取激光强度大于预设强度的激光束作为目标激光束；所述目标激光束为所述辅助定位板上的反光条反射回来的激光束；
坐标计算子模块，用于获取所述目标激光束对应的反射激光点的中心坐标；
反光条确定子模块，用于根据所述所有目标激光束对应的反射激光点的中心坐标，获取所述辅助定位板上的反光条的位置坐标。
进一步地，所述对位控制模块包括：
目标确定子模块，用于将所述机器人当前位姿作为开始对位的起始位姿；并将所述辅助定位板的中心位姿作为对位的目标位姿；
对位控制子模块，用于计算所述机器人的对位速度，控制所述机器人到达对位的目标位置，且完成目标位姿。
进一步地，所述对位控制子模块包括：
目标朝向获取单元，用于根据所述起始位姿、目标位姿，获取所述机器人从起始位置到目标位置的目标朝向；
角速度获取单元，用于根据所述目标朝向通过PID实时计算所述机器人的角速度；
线速度调整单元，用于根据所述机器人的朝向与所述目标朝向的夹角大小实时调整所述机器人的线速度；
运动控制单元，用于实时控制所述机器人根据所述角速度、所述线速度进行运动，直到到达对位的目标位置，完成目标位姿。
进一步地，所述线速度调整单元根据所述机器人的朝向与所述目标朝向的夹角大小实时调整所述机器人的线速度具体包括：
所述线速度调整单元获取目标夹角的度数；所述目标夹角为所述机器人朝向与所述目标朝向的夹角；
当所述目标夹角的度数大于预设的最大夹角度数时，所述线速度调整单元控制所述机器人的线速度为0；
当所述目标夹角的度数大于0，小于所述预设的最大夹角时，当所述目标夹角的度数大于0，小于所述预设的最大夹角时，根据所述目标夹角的度数、所述机器人当前的线速度，调整所述机器人的线速度大小；
当所述目标夹角的度数等于0，所述线速度调整单元控制所述机器人的线速度为预设的最大线速度。
本发明使用单线激光雷达，不用额外增加昂贵的探测传感器设备，或者复杂的软件算法，即在可控成本的前提下，达到高精度对位的目的。由于算法简单，使用的原始传感器数据，精度主要取决于激光雷达的探测误差，从而避免使用粒子滤波、点云匹配等复杂算法带来的软件误差。此外，本发明中用于对位的辅助定位板同样成本低，易于安装。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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。
图1为本发明自动对位方法的一个实施例的流程图；
图2为本发明自动对位方法实施例中的对位控制示意图；
图3为本发明自动对位方法的另一实施例的流程图；
图4为本发明自动对位方法的另一实施例的流程图；
图5为本发明自动对位系统的一个实施例的示意图；
图6为本发明自动对位系统中的自动对位装置结构框图；
图7为本发明自动对位系统中的自动对位装置另一结构框图；
图8为本发明自动对位系统中的自动对位装置另一结构框图。
附图标记：
10--机器人；20--辅助定位板；21--辅助定位板的中心点；22--反光条；1000--自动对位装置；100--激光雷达传感器；200--定位板确定模块；300--机器人位姿获取模块；400--对位控制模块；410--目标确定子模块；420-对位控制子模块；421--目标朝向获取单元；422--角速度获取单元；423--线速度获取单元；424--运动控制单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种自动对位方法，实施例如图1所示，包括：
S101，通过机器人上安装的激光雷达传感器检测预置在辅助定位板两端的反光条的位置；所述辅助定位板安装在需要对位的目标点位置，且其安装高度与所述激光雷达传感器的设置高度一致；
具体的，机器人上安装的激光雷达传感器可为单线激光雷达，无需使用多线激光雷达，从而大大降低了成本。辅助定位板一般固定安装在需要对位的目标点位置，安装的高度与机器人上设置的激光雷达传感器的设置高度一致，保证机器人运动过程中可以探测到该辅助定位板；且该辅助定位板的两端还设置有反光条，如图2所示，辅助定位板的宽度为D，两端贴有宽度为d的反光条；反光条在离激光雷达相同的位置，反射的激光强度会比墙，桌子，门等常见的物体要强，因此，很容易通过激光雷达传感器识别到反光条，进而可以定位到辅助定位板。
S102，根据所述辅助定位板两端的反光条位置，获取所述辅助定位板的中心位姿；
具体的，获取到辅助定位板两端的反光条位置后，便可根据简单的几何关系，获取到辅助定位板的中心位姿，具体的，假设一个辅助定位板两端反光条中心点坐标分别为P1(x_1,y_1)，P2(x_2,y_2)，那么，辅助定位板中心位姿P(x_c1,y_c1,th_c1)计算如下：
x_c1＝(x_1+x_2)/2//辅助定位板的中心点x坐标；
y_c1＝(y_1+y_2)/2//辅助定位板的中心点y坐标；
th_c1＝atan2(y_2-y_1,x_2-x_1)+PI/2//中心点朝向角，atan2()是c++语言里求反余切的标准库函数，目标朝向与辅助定位板成90度，因此，需要加PI/2。当然，还可以通过扩展均值、直线拟合等方法来提高中心位姿的精度。
S103，获取所述机器人的当前位姿；
具体的，比如可以通过机器人底盘安装的底盘里程计来计算机器人当前的位姿，因为运动控制是底盘响应的，所以可以通过底盘里程计来计算机器人当前位姿。
S104，根据所述辅助定位板的中心位姿，结合所述机器人的当前位姿，控制所述机器人抵达所述对位的目标点位置，完成对位。
具体的，获取到辅助定位板的中心位姿后，便获取到了对位的最终目标位置，于是便可以控制机器人从当前位置运动到目标位置，且使得机器人实现目标位姿(辅助定位板的中心位姿)，从而完成对位。
本实施例在不用额外增加昂贵的传感器设备，或者复杂的软件算法，即在可控成本的前提下，即可达到高精度定位的目的。本实施例中的定位板易于安装，成本低，计算也简单；由于使用的原始传感器数据，精度主要取决于激光雷达传感器的探测误差，避免使用粒子滤波、点云匹配等复杂算法带来的软件误差。通过本实施例的方案，可以在使用单线激光雷达，不增加额外昂贵探测传感器的前提下，实现高精度对位。
本发明方法的另一实施例，在上述实施例的基础上，对于如何通过激光雷达传感器定位辅助定位板上的反光条位置进行了具体阐述(下述步骤S201--S205)，具体的，本发明的另一实施例如图3所示，包括：
S201，通过机器人上安装的激光雷达传感器扫描所述辅助定位板；
具体的，激光雷达传感器一般分为三个部分：激光信号发射部分、激光信号接收部分、激光信号处理部分；其中，激光信号发射部分用来发射激光束信号，通过发射激光束扫描四周环境，由于辅助定位板的安装高度与激光雷达传感器设置高度一致，因此，在扫描过程中，便也会扫描到辅助定位板；
S202，接收反射回来的激光束；
具体的，激光雷达传感器发射出去的激光束遇到障碍物后便会反射回来，激光雷达传感器的激光信号接收部分便会接收到反射回来的激光束；
S203，遍历所有反射回来的激光束，提取激光强度大于预设强度的激光束作为目标激光束；所述目标激光束为所述辅助定位板上的反光条反射回来的激光束；
具体的，接收到反射回来的激光束后，便针对接收到的信号，通过激光雷达的激光信号处理部分进行信号处理。由于反光条的反射的激光强度会比普通的障碍物反射的激光强度要强很多，因此，可以从接收到的反射激光束信号中，提取激光强度大于预设强度的目标激光束，这些目标激光束便是辅助定位板上的反光条反射回来的激光束。
S204，获取所述目标激光束对应的反射激光点的中心坐标；
具体的，目标激光束为辅助定位板上的反光条反射回来的激光束，那么获取到所有目标激光束对应的反射激光点的坐标，便可获得辅助定位板上的反光条的位置信息。
较佳的，获取到目标激光束后便可根据激光发射时间、接收时间获取到发射点和接收点的距离，然后利用该激光束探测到的距离，通过如下公式进行计算，获取反射激光点的中心坐标：
通过以下公式计算所述目标激光束对应的反射激光点的位置pi(x_i,y_i)：
x_i＝data.ranges[index]*cos(data.angle_min+data.angle_increment*index)；
y_i＝data.ranges[index]*sin(data.angle_min+data.angle_increment*index)；
其中：index为激光束编号；
data.angle_min为激光开始扫描的角度；
data.ranges[index]为编号为index激光束探测到的距离；
data.angle_increment为相邻激光束之间的角度差。
具体的，比如，激光开始扫描的角度为30°，此时发出第一束激光编号为0，假如相邻激光束之间的角度差为10°，现第三束激光(编号为2)探测到与辅助定位板的距离为L3，那么，可获得第三束激光对应的反射激光点的位置坐标p3(x_3,y_3)：
x_3＝L3*cos[30°+2*10°]＝L3*cos50°；
y_i＝L3*sin[30°+2*10°]＝L3*sin50°。
S205，根据所述所有目标激光束对应的反射激光点的中心坐标，获取所述辅助定位板上的反光条的位置坐标。
具体的，由于目标激光束对应的发射激光点均是在反光条上的反射点，因此，将每端的反光条上的反射点取均值即可获得对应反光条的中心坐标。当然，由于辅助定位板的两端均设有反光条，所以实际提取到的目标激光束是两端的反光条反射回来的激光束，而要将辅助定位板两端的反光条进行定位，则需要先将这些目标激光束进行分组，由于辅助定位板两端均设置有反光条，因而可将获取的这些目标激光束分为两组，一组中的目标激光束是第一反光条(辅助定位板的一端设置的反光条)反射回来的，另一组中的目标激光束是第二反光条(辅助定位板上另一端设置的反光条)反射回来的；确定好每个反光条对应的目标激光束后，便可根据这些目标激光束的中心坐标来确定对应的反光条的位置坐标。而将目标激光束分成两组如何划分，则可根据这些目标激光束对应的反射激光点的中心坐标来进行划分。比如，如果辅助定位板的总宽度为D，该辅助定位板上贴的两端的反光条的宽度均为d，一般的，D-2d>d；那么，如果这些目标激光束的反射激光点的距离大于D-2d则分属于不同的组，也就是说，每组的反射激光点之间的距离均小于或等于d。根据反射激光点的中心坐标分好组后，便可根据每组包含的反射激光点来确定对应的反光条的位置坐标，比如可以采用取这些反射激光点的均值的方式获得对应的反光条的中心坐标。
S206，根据所述辅助定位板两端的反光条位置，获取所述辅助定位板的中心位姿；
具体的，获取到辅助定位板两端的反光条位置后，比如获取到两端的反光条的中心坐标，便可结合辅助定位板的宽度信息及反光条的宽度信息，计算出辅助定位板的中心位置坐标，由于辅助定位板的安装高度已知，故可获取到其中心位姿。
S207，获取所述机器人的当前位姿；
具体的，由于机器人的运动控制是底盘响应的，因此，本发明通过底盘里程计来计算机器人当前位姿，为了实现高精度对位，本发明会实时计算辅助定位板相对于机器人位姿的精准位姿，在此基础上做运动控制，达到高精度对位目的。
S208，根据所述辅助定位板的中心位姿，结合所述机器人的当前位姿，控制所述机器人抵达所述对位的目标点位置，完成对位。
具体的，可以先将所述机器人当前位姿作为开始对位的起始位姿；将所述辅助定位板的中心位姿作为对位的目标位姿；然后计算所述机器人的对位速度，控制所述机器人到达对位的目标位置，且完成目标位姿。
本发明方法的另一实施例，如图4所示，包括：
S301，通过机器人上安装的激光雷达传感器检测预置在辅助定位板两端的反光条的位置；所述辅助定位板安装在需要对位的目标点位置，且其安装高度与所述激光雷达传感器的设置高度一致；
S302，根据所述辅助定位板两端的反光条位置，获取所述辅助定位板的中心位姿；
S303，获取所述机器人的当前位姿；
S304，将所述机器人当前位姿作为开始对位的起始位姿；
S305，将所述辅助定位板的中心位姿作为对位的目标位姿；
具体的，每个控制周期，将检测到的辅助定位板的中心位姿作为对位的目标位姿，为了实现高精度的对位目的，本发明通过激光雷达实时扫描获取辅助定位板相对于机器人的位置，从而可以实时调整控制机器人的运动。这里的目标位姿不是不变的，由于机器人在运动，那么辅助定位板相对于机器人的位置也在改变，因此，在每个控制周期内(激光雷达扫描周期)都会重新获取辅助定位的位姿信息，并将其作为最新的目标位姿，从而可以实现高精度的对位。
S306，根据所述起始位姿、目标位姿，获取所述机器人从起始位置到目标位置的目标朝向；也就是说这里的目标朝向为机器人从起始位置到目标位置的朝向。
S307，根据所述目标朝向通过PID实时计算所述机器人的角速度；
为了实现高精度的对位，需要在机器人运动的过程中实时计算调整机器人的运动信息，控制机器人运动到对位的目标位置，本实施例采用了PID计算控制机器人的角速度，使得所述机器人的朝向与目标朝向的夹角不断减小，只有控制机器人朝向与目标朝向的夹角尽量小，才能使得后续机器人到对位的目标位置更为精确。
当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关键的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制是现有技术中比较成熟的一项技术，此次不再赘述，通过PID控制可实时调节机器人的运动。
S308，根据所述机器人的朝向与所述目标朝向的夹角大小实时调整所述机器人的线速度；
具体的，在机器人运动过程中，通过PID计算出机器人实时运动的角速度，控制机器人朝向与目标朝向的夹角尽量小，除了角速度外，还需要根据机器人的朝向与目标朝向的夹角大小来实时调整机器人前进的线速度，既要保证机器人运动速度快，又要保证运动到对位的目标位置的精准，使得机器人又快又准的完成对位。
较佳的，为了保证机器人运动导航的精度，一般还会限制机器人运动的线速度的最大速度值，而限制的最大线速度值一般根据实际测试确定。确定好机器人的最大线速度Vmax后，便可根据机器人朝向与目标朝向的夹角大小来实时调整机器人运动的线速度Vx了，因为当机器人朝向，与路径朝向(目标朝向)夹角不为0时，机器人与路径之间的距离会随着前行，越来越大，为了保证高精度对位，这种情况是不允许的。所以，为了减小偏离的距离，会使夹角越大，线速度衰减的越快，通过调整角速度，使其尽可能在偏离距离小时纠正过来。具体的，先获取目标夹角的度数；所述目标夹角为所述机器人朝向与所述目标朝向的夹角；然后根据目标夹角大小来控制机器人的线速度Vx。
当所述目标夹角的度数大于预设的最大夹角度数时，控制所述机器人的线速度为0；也就是说控制机器人原地旋转(角速度不为0)调整机器人朝向与目标朝向的夹角角度，使其夹角变小。
当所述目标夹角的度数大于0，小于所述预设的最大夹角时，根据所述目标夹角的度数、所述机器人当前的线速度，调整所述机器人的线速度大小；具体的计算方法可以提前设定，比如，可以在机器人现有速度基础上根据目标夹角的度数等比例减小的方式来调整机器人线速度，通过逐渐减小线速度来调整机器人朝向与目标朝向的夹角角度。
当所述目标夹角的度数等于0时，控制所述机器人的线速度为预设的最大线速度Vmax。此时可控制快速运动至对位点，为保证导航精度，此时需要控制速度不超过最大速度Vmax，。需说明的是，在夹角为0的情况下，如遇到机器人启动(逐渐加速，稳定启动)、避免碰到障碍物或目标点(接近目标点时逐渐减速)等情况与正常机器人的运动时情况一致。
比如，对于差动机器人，计算Vx(前进线速度)、Vth(旋转角速度)，即可控制运动。计算方法大致为，记录开始对位时的机器人位姿为起始位姿，每个控制周期，检测到的定位板中心位姿作为目标位姿，并计算起始位置到目标位置的朝向为目标朝向，在运动过程中用PID计算Vth，控制机器人朝向与目标朝向的夹角尽量小。另外，为了保证导航精度，Vx会限制最大速度，限制值根据实际测试确定。为了提高导航精度，可预设最小夹角度数为0，则当机器人朝向与目标朝向夹角超过设定阈值时，Vx设置为0，即原地旋转；当夹角接近0时，Vx接近最大速度(可按照最大线速度来设置)；当夹角大于0，小于角度阈值时，按比例减小Vx，达到逐渐调整朝向朝目标点运动的目的。当机器人运动到目标点设定范围即可结束对位。
实际上，控制机器人速度可以考虑的因素有很多，比如机器人偏离路径的距离，偏离的距离比较大的时候，应该减小线速度，尽快调整角速度向路径上修正。在一般的应用场景中，速度比较慢，考虑角度即可满足场景需求，而且控制比较简单，所以本实施例中主要考虑了根据机器人朝向与目标朝向的角度因素来控制机器人运动的线速度。
S309，实时控制所述机器人根据所述角速度、所述线速度进行运动，直到到达对位的目标位置，完成目标位姿。
获取到机器人的角速度和线速度后，便可据此控制机器人运动，当然，在运动过程中还需要实时不断获取调整机器人最新的运动角速度和线速度，使得机器人可以准确到达对位的目标位置，完成目标位姿，实现对位。
基于相同的技术构思，本发明还公开了一种自动对位系统，该系统可采用本发明上述的任一自动对位方法来进行自动对位，具体的，本发明的自动对位系统如图5所示，包括安装在需要对位的目标点位置的辅助定位板20，及机器人10；所述辅助定位板20的两端设有反光条22；所述机器人包含自动对位装置1000，所述自动对位装置1000包括安装在所述机器人上的激光雷达传感器；所述辅助定位板的安装高度与所述激光雷达传感器的设置高度一致；其中：
如图6所示，所述激光雷达传感器100，用于通过检测预置在辅助定位板两端的反光条的位置；具体的，机器人上安装的激光雷达传感器100可为单线激光雷达，无需使用多线激光雷达，从而大大降低了成本。辅助定位板一般固定安装在需要对位的目标点位置，安装的高度与机器人上设置的激光雷达传感器的设置高度一致，保证机器人运动过程中可以探测到该辅助定位板；且该辅助定位板的两端还设置有反光条，反光条反射的激光强度比一般物体要强，因此，很容易通过激光雷达传感器识别到反光条，进而可以定位到辅助定位板。
所述自动对位装置1000还包括：
定位板确定模块200，用于根据所述辅助定位板两端的反光条位置，获取所述辅助定位板的中心位姿；具体的，获取到辅助定位板两端的反光条位置后，便可根据简单的几何关系，获取到辅助定位板的中心位姿。具体的，假设一个辅助定位板两端反光条中心点坐标分别为P1(x_1,y_1)，P2(x_2,y_2)，那么，辅助定位板中心位姿P(x_c1,y_c1,th_c1)计算如下：
x_c1＝(x_1+x_2)/2//辅助定位板的中心点x坐标；
y_c1＝(y_1+y_2)/2//辅助定位板的中心点y坐标；
th_c1＝atan2(y_2-y_1,x_2-x_1)+PI/2//中心点朝向角，atan2()是c++语言里求反余切的标准库函数，目标朝向与辅助定位板成90度，因此，需要加PI/2。当然，还可以通过扩展均值、直线拟合等方法来提高中心位姿的精度。
机器人位姿获取模块300，用于获取所述机器人的当前位姿；具体的，机器人位姿获取模块可以通过机器人底盘安装的底盘里程计来实现，因为运动控制是底盘响应的，所以可以通过底盘里程计来计算机器人当前位姿。
对位控制模块400，用于根据所述辅助定位板的中心位姿，结合所述机器人的当前位姿，控制所述机器人抵达所述对位的目标点位置，完成对位。具体的，获取到辅助定位板的中心位姿后，便获取到了对位的最终目标位置，于是便可以控制机器人从当前位置运动到目标位置，且使得机器人实现目标位姿(辅助定位板的中心位姿)，从而完成对位。
本实施例的自动对位系统可以在使用单线激光雷达，不增加额外昂贵探测传感器的前提下，实现高精度对位。
本发明系统的另一实施例，在上述系统实施例的基础上，如图7所示，所述激光雷达传感器100包括：
信号发射模块110，用于发射激光束扫描所述辅助定位板；具体的，信号发射模块用来发射激光束信号，通过发射激光束扫描四周环境，由于辅助定位板的安装高度与激光雷达传感器设置高度一致，因此，在扫描过程中，便也会扫描到辅助定位板；
信号接收模块120，用于接收反射回来的激光束；信号发射模块发射出去的激光束遇到障碍物后便会反射回来，信号接收模块便会接收到反射回来的激光束。
信号处理模块130，用于对所述反射回来的激光束进行数据处理，定位所述辅助定位板两端的反光条位置；具体包括：
遍历子模块131，用于遍历所有反射回来的激光束，提取激光强度大于预设强度的激光束作为目标激光束；所述目标激光束为所述辅助定位板上的反光条反射回来的激光束；由于反光条的反射的激光强度会比普通的障碍物反射的激光强度要强很多，因此，可以从接收到的反射激光束信号中，提取激光强度大于预设强度的目标激光束，这些目标激光束便是辅助定位板上的反光条反射回来的激光束。
坐标计算子模块132，用于获取所述目标激光束对应的反射激光点的中心坐标；具体的，目标激光束为辅助定位板上的反光条反射回来的激光束，那么获取到所有目标激光束对应的反射激光点的坐标，便可获得辅助定位板上的反光条的位置信息。
较佳的，获取到目标激光束后便可根据激光发射时间、接收时间获取到发射点和接收点的距离，然后利用该激光束探测到的距离，通过如下公式进行计算，获取反射激光点的中心坐标pi(x_i,y_i)：
x_i＝data.ranges[index]*cos(data.angle_min+data.angle_increment*index)；
y_i＝data.ranges[index]*sin(data.angle_min+data.angle_increment*index)；
其中：index为激光束编号；
data.angle_min为激光开始扫描的角度；
data.ranges[index]为编号为index激光束探测到的距离；
data.angle_increment为相邻激光束之间的角度差。
反光条确定子模块133，用于根据所述所有目标激光束对应的反射激光点的中心坐标，获取所述辅助定位板上的反光条的位置坐标。
具体的，由于目标激光束对应的发射激光点均是在反光条上的反射点，因此，将每端的反光条上的反射点取均值即可获得对应反光条的中心坐标。当然，由于辅助定位板的两端均设有反光条，所以实际提取到的目标激光束是两端的反光条反射回来的激光束，而要将辅助定位板两端的反光条进行定位，则需要先将这些目标激光束进行分组，由于辅助定位板两端均设置有反光条，因而可将获取的这些目标激光束分为两组，一组中的目标激光束是第一反光条(辅助定位板的一端设置的反光条)反射回来的，另一组中的目标激光束是第二反光条(辅助定位板上另一端设置的反光条)反射回来的；确定好每个反光条对应的目标激光束后，便可根据这些目标激光束的中心坐标来确定对应的反光条的位置坐标。而将目标激光束分成两组如何划分，则可根据这些目标激光束对应的反射激光点的中心坐标来进行划分。比如，如果辅助定位板的总宽度为D，该辅助定位板上贴的两端的反光条的宽度均为d，一般的，D-2d>d；那么，如果这些目标激光束的反射激光点的距离大于D-2d则分属于不同的组，也就是说，每组的反射激光点之间的距离均小于或等于d。根据反射激光点的中心坐标分好组后，便可根据每组包含的反射激光点来确定对应的反光条的位置坐标，比如可以采用取这些反射激光点的均值的方式获得对应的反光条的中心坐标。
本发明系统的另一实施例，在上述任一系统实施例的基础上，如图8所示，所述对位控制模块400包括：
目标确定子模块410，用于将所述机器人当前位姿作为开始对位的起始位姿；并将所述辅助定位板的中心位姿作为对位的目标位姿。为了实现高精度的对位目的，本发明通过激光雷达实时扫描获取辅助定位板相对于机器人的位置，从而可以实时调整控制机器人的运动。这里的目标位姿不是不变的，由于机器人在运动，那么辅助定位板相对于机器人的位置也在改变，因此，在每个控制周期内(激光雷达扫描周期)都会重新获取辅助定位的位姿信息，并将其作为最新的目标位姿，从而可以实现高精度的对位。
对位控制子模块420，用于计算所述机器人的对位速度，控制所述机器人到达对位的目标位置，且完成目标位姿。
较佳的，所述对位控制子模块420包括：
目标朝向获取单元421，用于根据所述起始位姿、目标位姿，获取所述机器人从起始位置到目标位置的目标朝向；
角速度获取单元422，用于根据所述目标朝向通过PID实时计算所述机器人的角速度；具体的，在机器人运动过程中，通过PID计算出机器人实时运动的角速度，控制机器人朝向与目标朝向的夹角尽量小。
线速度调整单元423，用于根据所述机器人的朝向与所述目标朝向的夹角大小实时调整所述机器人的线速度；除了通过角速度获取单元422获取角速度外，还需要通过线速度调整单元423根据机器人的朝向与目标朝向的夹角大小来实时调整机器人前进的线速度，既要保证机器人运动速度快，又要保证运动到对位的目标位置的精准，使得机器人又快又准的完成对位。
具体的，为了保证机器人运动导航的精度，一般还会限制机器人运动的线速度的最大速度值，而限制的最大线速度值一般根据实际测试确定。确定好机器人的最大线速度Vmax后，便可根据机器人朝向与目标朝向的夹角大小来实时调整机器人运动的线速度Vx了。一般的，先获取目标夹角的度数；所述目标夹角为所述机器人朝向与所述目标朝向的夹角；然后根据目标夹角大小来控制机器人的线速度Vx：
当所述目标夹角的度数大于预设的最大夹角度数时，控制所述机器人的线速度为0；机器人的线速度为0，则相当于机器人原地转动(角速度不为0)。
当所述目标夹角的度数大于0，小于所述预设的最大夹角时，根据所述目标夹角的度数、所述机器人当前的线速度，调整所述机器人的线速度大小；具体的计算方法可以提前设定，比如，可以根据等比例减小的方式来计算。也就是说当目标夹角大于0(最小夹角度数)小于设定阈值时，逐渐减小速度调整角度。
当所述目标夹角的度数等于0时，控制所述机器人的线速度为预设的最大线速度Vmax。如此，当夹角为0时可控制快速运动至对位点，需说明的是，在夹角为0的情况下，如遇到机器人启动(逐渐加速，稳定启动)、避免碰到障碍物或目标点(接近目标点时逐渐减速)等情况与正常机器人的运动时情况一致。
上述方案中，由于当机器人朝向，与路径朝向(目标朝向)夹角不为0时，机器人与路径之间的距离会随着前行，越来越大，为了保证高精度对位，这种情况是不允许的。所以，为了减小偏离的距离，会使夹角越大，线速度衰减的越快，通过调整角速度，使其尽可能在偏离距离小时纠正过来，从而实现高精度对位。
当然，控制速度可以考虑的因素有很多，比如机器人偏离路径的距离，偏离的距离比较大的时候，应该减小线速度，尽快调整角速度向路径上修正。由于在一般的应用场景中，速度比较慢，考虑角度即可满足场景需求，而且控制比较简单，所以本实施例主要考虑了根据机器人朝向与目标朝向的角度因素来控制机器人运动的线速度。
运动控制单元424，用于实时控制所述机器人根据所述角速度、所述线速度进行运动，直到到达对位的目标位置，完成目标位姿。获取到机器人的角速度和线速度后，便可据此控制机器人运动，当然，在运动过程中还需要实时不断获取调整机器人最新的运动角速度和线速度，使得机器人可以准确到达对位的目标位置，完成目标位姿，实现对位。
本发明可采用单线激光雷达传感器结合两端设有反光条的辅助定位板来实现机器人的精确对位，不用额外增加昂贵的传感器设备，或者复杂的软件算法，即在可控成本的前提下，即可达到高精度定位的目的，且本发明系统中的辅助定位板易于安装，可操作性性强。
本发明的自动对位系统与本发明的自动对位方法相对应，本发明的自动对位方法的技术细节同样适用于本发明的自动对位系统，为减少重复，不再赘述。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种自动对位方法，其特征在于，包括：
通过机器人上安装的激光雷达传感器检测预置在辅助定位板两端的反光条的位置；所述辅助定位板安装在需要对位的目标点位置，且其安装高度与所述激光雷达传感器的设置高度一致；
根据所述辅助定位板两端的反光条位置，获取所述辅助定位板的中心位姿；
获取所述机器人的当前位姿；
根据所述辅助定位板的中心位姿，结合所述机器人的当前位姿，控制所述机器人抵达所述对位的目标点位置，完成对位。
2.根据权利要求1所述的一种自动对位方法，其特征在于，所述通过机器人上安装的激光雷达传感器检测预置在辅助定位板两端的反光条的位置包括：
通过机器人上安装的激光雷达传感器扫描所述辅助定位板；
接收反射回来的激光束；
遍历所有反射回来的激光束，提取激光强度大于预设强度的激光束作为目标激光束；所述目标激光束为所述辅助定位板上的反光条反射回来的激光束；
获取所述目标激光束对应的反射激光点的中心坐标；
根据所述所有目标激光束对应的反射激光点的中心坐标，获取所述辅助定位板上的反光条的位置坐标。
3.根据权利要求1或2任一项所述的一种自动对位方法，其特征在于，所述根据所述辅助定位板的中心位姿，结合所述机器人的当前位姿，控制所述机器人抵达所述对位的目标点位置，完成对位；具体包括：
将所述机器人当前位姿作为开始对位的起始位姿；
将所述辅助定位板的中心位姿作为对位的目标位姿；
计算所述机器人的对位速度，控制所述机器人到达所述对位的目标位置，且完成目标位姿。
4.根据权利要求3所述的一种自动对位方法，其特征在于，所述计算所述机器人的对位速度，控制所述机器人到达对位的目标位置，且完成目标位姿包括：
根据所述起始位姿、目标位姿，获取所述机器人从起始位置到目标位置的目标朝向；
根据所述目标朝向通过PID实时计算所述机器人的角速度；
根据所述机器人的朝向与所述目标朝向的夹角大小实时调整所述机器人的线速度；
实时控制所述机器人根据所述角速度、所述线速度进行运动，直到到达对位的目标位置，完成目标位姿。
5.根据权利要求4所述的一种自动对位方法，其特征在于，根据所述机器人的朝向与所述目标朝向的夹角大小实时调整所述机器人的前进速度包括：
获取目标夹角的度数；所述目标夹角为所述机器人朝向与所述目标朝向的夹角；
当所述目标夹角的度数大于预设的最大夹角度数时，控制所述机器人的线速度为0；
当所述目标夹角的度数大于0，小于所述预设的最大夹角时，根据所述目标夹角的度数、所述机器人当前的线速度，调整所述机器人的线速度大小；
当所述目标夹角的度数等于0时，控制所述机器人的线速度为预设的最大线速度。
6.一种自动对位系统，其特征在于，包括安装在需要对位的目标点位置的辅助定位板，及机器人；所述辅助定位板的两端设有反光条；所述机器人包含自动对位装置，所述自动对位装置包括安装在所述机器人上的激光雷达传感器；所述辅助定位板的安装高度与所述激光雷达传感器的设置高度一致；其中：
所述激光雷达传感器，用于通过检测预置在辅助定位板两端的反光条的位置；
所述自动对位装置还包括：
定位板确定模块，用于根据所述辅助定位板两端的反光条位置，获取所述辅助定位板的中心位姿；
机器人位姿获取模块，用于获取所述机器人的当前位姿；
对位控制模块，用于根据所述辅助定位板的中心位姿，结合所述机器人的当前位姿，控制所述机器人抵达所述对位的目标点位置，完成对位。
7.根据权利要求6所述的一种自动对位系统，其特征在于，所述激光雷达传感器包括：
信号发射模块，用于发射激光束扫描所述辅助定位板；
信号接收模块，用于接收反射回来的激光束；
信号处理模块，用于对所述反射回来的激光束进行数据处理，定位所述辅助定位板两端的反光条位置；具体包括：
遍历子模块，用于遍历所有反射回来的激光束，提取激光强度大于预设强度的激光束作为目标激光束；所述目标激光束为所述辅助定位板上的反光条反射回来的激光束；
坐标计算子模块，用于获取所述目标激光束对应的反射激光点的中心坐标；
反光条确定子模块，用于根据所述所有目标激光束对应的反射激光点的中心坐标，获取所述辅助定位板上的反光条的位置坐标。
8.根据权利要求6或7任一项所述的一种自动对位系统，其特征在于，所述对位控制模块包括：
目标确定子模块，用于将所述机器人当前位姿作为开始对位的起始位姿；并将所述辅助定位板的中心位姿作为对位的目标位姿；
对位控制子模块，用于计算所述机器人的对位速度，控制所述机器人到达对位的目标位置，且完成目标位姿。
9.根据权利要求8所述的一种自动对位系统，其特征在于，所述对位控制子模块包括：
目标朝向获取单元，用于根据所述起始位姿、目标位姿，获取所述机器人从起始位置到目标位置的目标朝向；
角速度获取单元，用于根据所述目标朝向通过PID实时计算所述机器人的角速度；
线速度调整单元，用于根据所述机器人的朝向与所述目标朝向的夹角大小实时调整所述机器人的线速度；
运动控制单元，用于实时控制所述机器人根据所述角速度、所述线速度进行运动，直到到达对位的目标位置，完成目标位姿。
10.根据权利要求9所述的一种自动对位系统，其特征在于，所述线速度调整单元根据所述机器人的朝向与所述目标朝向的夹角大小实时调整所述机器人的线速度具体包括：
所述线速度调整单元获取目标夹角的度数；所述目标夹角为所述机器人朝向与所述目标朝向的夹角；
当所述目标夹角的度数大于预设的最大夹角度数时，所述线速度调整单元控制所述机器人的线速度为0；
当所述目标夹角的度数大于0，小于所述预设的最大夹角时，当所述目标夹角的度数大于0，小于所述预设的最大夹角时，根据所述目标夹角的度数、所述机器人当前的线速度，调整所述机器人的线速度大小；
当所述目标夹角的度数等于0时，所述线速度调整单元控制所述机器人的线速度为预设的最大线速度。
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