CN110308721B - 一种用于限定室外移动机器人工作区域的光电围栏 - Google Patents

一种用于限定室外移动机器人工作区域的光电围栏 Download PDF

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Abstract

公开一种用于限定室外移动机器人工作区域的光电围栏，包括虚拟边界站和室外移动机器人，虚拟边界站设置外壳和地插脚，外壳顶部设置太阳能电池，侧面设置红外发射窗口，红外发射窗口内设置红外发射模块；室外移动机器人设置在工作区域的中间，虚拟边界站设置在所述的工作区域的顶点，其红外发射窗口对准工作区域的右侧边界；室外移动机器人在顶部设置全向红外接收装置，工作过程包括：1、进入工作区域开始运行；2、如果全向红外接收装置收到红外编码信号，进入步骤3；3、记录当前位置和方向，朝方向‑θ0运行设定距离d0；4、朝方向θ0+Δθ运行，当全向红外接收装置收到红外编码信号后，停止运行，计算运行距离d1；5、计算与光电围栏的夹角α，然后朝方向θo+△θ+α+△θ运行。

Description

一种用于限定室外移动机器人工作区域的光电围栏
技术领域
本发明涉及一种用于限定室外移动机器人工作区域的光电围栏，属于移动机器人控制领域。
背景技术
室外移动机器人在室外复杂环境下除了需要面对完成设定任务的挑战，还需要保证工作区域的识别。因为图像处理不仅会受到环境光照的影响，不能保证得到符合处理要求的图像，而且目前图像识别技术还难以应付实际环境中的复杂多变情况。因此，目前多采用铺设信号电缆或者铺设地标进行识别与限定，这种方式非常可靠，但是会改变环境，并且在有些情况下难以实施。
发明内容
本发明的目的是为了现有技术的不足，提出一种用于限定室外移动机器人工作区域的光电围栏，所采用的技术方案是：
一种用于限定室外移动机器人工作区域的光电围栏，包括虚拟边界站和室外移动机器人，所述的室外移动机器人设置惯性导航系统，用于计算所述的移动机器人的位置(x，y)和方向θ，所述的虚拟边界站设置外壳和与所述的外壳连接的地插脚，所述的外壳的顶部设置太阳能电池，侧面设置红外发射窗口，所述的红外发射窗口内设置红外发射模块，还包括与所述的太阳能电池连接的充电电路，与所述的充电电路连接的充电电池，与所述的充电电池连接的电源电路，所述的电源电路为所述的红外发射模块提供电源，所述的室外移动机器人设置在工作区域的中间，工作区域近似为多边形，所述的虚拟边界站设置在工作区域的顶点；所述的虚拟边界站的红外发射窗口对准工作区域的右侧边界；所述的室外移动机器人在顶部设置全向红外接收装置，所述的全向红外接收装置与所述的红外发射窗口设置在同一高度，所述的光电围栏的工作过程包括：
(1)、所述的室外移动机器人进入工作区域开始运行；
(2)、如果所述的全向红外接收装置没有收到红外编码信号，则所述的室外移动机器人正常运行；如果所述的全向红外接收装置收到红外编码信号，停止运行，进入步骤3；
(3)、记录当前位置(x0，y0)和方向θ0，所述的室外移动机器人朝方向-θ0运行，到达(x1，y1)停止运行，满足(x1-x0)2+(y1-y0)2＝d0 2，其中d0为设定距离；
(4)、所述的室外移动机器人朝方向θ0+△θ运行，其中△θ为设定角度，当所述的全向红外接收装置收到红外编码信号后，停止运行，位置为(x2，y2)，计算运行距离如果d1＜K，进入步骤5，否则返回步骤3，其中K为设定范围；
(5)、计算位置(x0，y0)和(x2，y2)之间的距离计算所述的室外移动机器人的朝向与边界的夹角/>然后朝方向θ0+△θ+α+△θ运行，返回步骤2。
实施本发明的积极效果是：1、采用红外设定边界，可避免铺设电缆；2、只在工作区域的顶点位置安装设备，工程量小，并且形成封闭区域，限定了移动机器人的工作范围；3、可计算边界与室外移动机器人的角度关系，辅助进行路径规划。
附图说明
图1是虚拟边界站的外观图；
图2是虚拟边界站的原理框图；
图3是安装示意图；
图4是计算图示。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步说明：
参照图1-4，一种用于限定室外移动机器人工作区域的光电围栏，用于限定室外移动机器人的工作区域，防止所述的室外移动机器人超出工作区域，导致不可预期后果。包括虚拟边界站和室外移动机器人，所述的虚拟边界站用于建立工作区域的红外虚拟边界。
所述的室外移动机器人设置惯性导航系统，用于计算所述的移动机器人的位置(x，y)和方向θ。所述的惯性导航系统可采用加速度传感器，电子陀螺仪，视觉里程计等多种惯性导航传感器的组合。
所述的虚拟边界站设置外壳7和与所述的外壳7连接的地插脚6，所述的外壳7的顶部设置太阳能电池2，侧面设置红外发射窗口8，所述的红外发射窗口8内设置红外发射模块1。所述的虚拟边界站可以直接插在工作区域的边界上，使用方便。
还包括与所述的太阳能电池2连接的充电电路3，与所述的充电电路3连接的充电电池4，与所述的充电电池4连接的电源电路5，所述的电源电路5为所述的红外发射模块1提供电源。所述的太阳能电池2将太阳能转换为电能，可避免铺设电缆，同时所述的充电电池4用于储存电能，晴天的时候进行充电，阴天雨天的时候对外供电。
所述的室外移动机器人设置在工作区域的中间，工作区域近似为多边形，所述的虚拟边界站设置在工作区域的顶点；所述的虚拟边界站的红外发射窗口8对准工作区域的右侧边界。这样，所述的虚拟边界站发射的红外光可形成封闭区域，限定所述的室外移动机器人的工作范围。大部分情况下，工作区域为凸多边形，所述的虚拟边界站发射的红外光不会进入工作区域内部，所述的虚拟边界站的设置精度没有太高要求；但是，如果工作区域为凹多边形，所述的虚拟边界站发射的红外光可能进入工作区域内部，这种情况可以通过所述的虚拟边界站的相互遮挡来克服。
所述的室外移动机器人在顶部设置全向红外接收装置，所述的全向红外接收装置与所述的红外发射窗口8设置在同一高度，这样不论什么角度进入工作区域的边界，都可以收到所述的虚拟边界站发射的红外光。所述的全向红外接收装置主要包括全向光学透镜和设置在底部的红外接收传感器。
所述的光电围栏的工作过程包括：
(1)、所述的室外移动机器人进入工作区域开始运行；
(2)、如果所述的全向红外接收装置没有收到红外编码信号，则所述的室外移动机器人正常运行；如果所述的全向红外接收装置收到红外编码信号，停止运行，进入步骤3；
如果所述的全向红外接收装置收到红外编码信号，说明所述的室外移动机器人进入工作区域的边界，需要采取措施避让。
(3)、记录当前位置(x0，y0)和方向θ0，所述的室外移动机器人朝方向-θ0运行，到达(x1，y1)停止运行，满足(x1-x0)2+(y1-y0)2＝d0 2，其中d0为设定距离；
在步骤3中，所述的室外移动机器人按照前进的方向后退一定距离d0。
(4)、所述的室外移动机器人朝方向θ0+△θ运行，其中△θ为设定角度，当所述的全向红外接收装置收到红外编码信号后，停止运行，位置为(x2，y2)，计算运行距离如果d1＜K，进入步骤5，否则返回步骤3，其中K为设定范围；
在步骤3中，所述的室外移动机器人调整△θ角度继续运行工作，△θ为设定角度，30～60°为宜。如果在K值范围内再次遇到边界，说明所述的室外移动机器人还在边界附件。为了提高工作效率，需要进行夹角计算，从而选择一个合理的角度进行运行工作。
(5)、计算位置(x0，y0)和(x2，y2)之间的距离计算所述的室外移动机器人的朝向与边界的夹角/>然后朝方向θ0+△θ+α+△θ运行，回步骤2。
在步骤5中，利用三角关系计算了所述的室外移动机器人的朝向与边界的夹角α，然后作为后面路径选择提供基础。
综上所述，通过设置在工作区域顶点的虚拟边界站，建立了光电围栏，为室外移动机器人设定了工作范围，保证了任务的安全执行，并且该方案可计算室外移动机器人与边界的角度关系，提高路径规划效率。

Claims (1)

1.一种用于限定室外移动机器人工作区域的光电围栏，包括虚拟边界站和室外移动机器人，所述的室外移动机器人设置惯性导航系统，所述的惯性导航系统采用加速度传感器，电子陀螺仪，视觉里程计多种惯性导航传感器的组合，用于计算所述的移动机器人的位置(x，y)和方向θ，其特征在于：所述的虚拟边界站设置外壳和与所述的外壳连接的地插脚，所述的外壳的顶部设置太阳能电池，侧面设置红外发射窗口，所述的红外发射窗口内设置红外发射模块，还包括与所述的太阳能电池连接的充电电路，与所述的充电电路连接的充电电池，与所述的充电电池连接的电源电路，所述的电源电路为所述的红外发射模块提供电源，所述的室外移动机器人设置在工作区域的中间，工作区域近似为多边形，所述的虚拟边界站设置在工作区域的顶点；所述的虚拟边界站的红外发射窗口对准工作区域的右侧边界；所述的室外移动机器人在顶部设置全向红外接收装置，所述的全向红外接收装置与所述的红外发射窗口设置在同一高度，所述的光电围栏的工作过程包括：
(1)、所述的室外移动机器人进入工作区域开始运行；
(2)、如果所述的全向红外接收装置没有收到红外编码信号，则所述的室外移动机器人正常运行；如果所述的全向红外接收装置收到红外编码信号，停止运行，进入步骤3；
(3)、记录当前位置(x0，y0)和方向θ0，所述的室外移动机器人朝方向-θ0运行，到达(x1，y1)停止运行，满足(x1-x0)2+(y1-y0)2＝d0 2，其中d0为设定距离；
(4)、所述的室外移动机器人朝方向θ0+Δθ运行，其中Δθ为设定角度，当所述的全向红外接收装置收到红外编码信号后，停止运行，位置为(x2，y2)，计算运行距离如果d1＜K，进入步骤5，否则返回步骤3，其中K为设定范围；
(5)、计算位置(x0，y0)和(x2，y2)之间的距离计算所述的室外移动机器人的朝向与边界的夹角/>然后朝方向θ0+Δθ+α+Δθ运行，返回步骤2。
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