CN110531398A - 基于gps与超声波的室外机器人定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于GPS与超声波的室外机器人定位系统及方法，属于室外机器人定位技术领域。所述室外机器人定位系统，包括GPS定位系统、超声波定位系统和机器人导航系统；所述机器人导航系统安装在机器人本体上，包括GPS天线、GPS处理模块、超声波发射模块、超声波定位处理模块和和综合定位芯片。本发明采用GPS与超声波进行复合的算法，可以进一步提高室外定位精度，精度优于0.1米；同时可以有效扩大超声波定位的覆盖范围，解决超声波阵列定位的多值性问题。

Description

基于GPS与超声波的室外机器人定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于GPS与超声波的室外机器人定位系统及方法，属于室外机器人定位技术领域。

背景技术

在电力系统中，安排定期巡视任务，对变电站设施仪表进行抄读与高压电气设备惯例检查是一项重要任务。目前，变电站巡检工作仍然是一件十分艰巨的工作。传统变电站的人工巡检的方式依旧被国内大多数变电站采用，但巡视人员的诸多因素会直接影响巡检的可靠性，比如巡检人员的工作经验、业务能力、责任心和精神状况等；从效率上来讲，特别是对地区稍偏远的变电站巡检，浪费在路上的人力和时间成本也不容忽视；再者涉及安全性，由于高压设备非常多，巡检人员在变电站穿梭其潜在的危险性也十分具大；同时从管理调度来看，当变电站突发故障，对于偏僻地方少人值守甚至无人值守的变电站，其问题反应的能力弱，应急能力差，远程指挥与调度的难度也非常大。因此，从变电站巡检的可靠性、高效性、安全性及操控性考虑，巡检机器人代替工作人员对变电站实行自动巡检在一定程度上成为一种发展趋势，而准确定位是机器人可靠巡检的基本条件。

移动机器人的定位功能是其导航的多个领域中最重要的一项功能，也是完成机器人导航任务最基本的环节。定位的准确性和可靠性直接决定了移动机器人能否正确完成导航功能。定位机器人常用传感器分为内部传感器和外部传感器。外部传感器需要采集外界信息，外界环境通常随着机器人的运动发生变化，而且外界环境具有随机性、突发性，这对传感器数据的准确性、真实性产生影响，常见的外部传感器有视觉传感器、超声波传感器、温度传感器、激光雷达传感器等。内部传感器安装在机器人上，不与外界信息发生交互，常见的内部传感器有加速度计、光电编码器、陀螺仪等惯性传感器，内部传感器能在短时间内提供准确的信息，实现较高的定位精度。移动机器人的定位是机器人依靠自身的传感器或与外界传感器的信息交互感知自身和周围环境信息，对传感器采集到的数据进行融合处理转换并通过一定的定位算法得到自身位姿的过程。移动机器人的定位根据参照的不同一般分为绝对定位和相对定位，机器人绝对定位的参照坐标为地球坐标系，而相对定位的参照坐标为运行环境，一般研究时将其运行环境坐标系与世界坐标系等价或固连。两种情况下，移动机器人相对于其运行环境的相互位置关系都必须确定，这也是定位技术的研究对象。目前最常用的室外定位方式为全球卫星定位系统(GPS)，但是GPS的定位精度较差，对于需要实时得到定位导航信息以及对定位导航系统可靠性要求比较高的系统来说，单独使用GPS是无法满足要求的。机器人定位研究领域主要针对室内机器人相对定位的研究，目前室内化器人常用的定位方式有以下几种：

视觉定位：目前基于视觉的机器人定位技术主要有单目视觉定位、双目视觉定位和全景视觉定位。视觉定位技术主要涉及摄像机标定、图像处理中信号滤波、图像灰度处理、特征提取、直线拟合等技术的研究。北京邮电大学的王轩基于双目视觉定位原理，进行了球形移动机器人的视觉定位研究。哈尔滨工业大学的厉茂海、蔡则苏等人使用基于随机抽样一致的定位算法实现移动机器人单目视觉全局定位。RoboCup机器人领域多用全景视觉定位技术完成机器人在足球场地的定位。还有基于路标的定位：中南大学的刘佳进行了基于路禄的移动机器人视觉定位研究，使用可分离Laplacian算子进行边缘检测实现复杂环境下的机器人定位。但是视觉定位系统算法复杂、成本高、体积大。

航迹推算定位：航迹推算法分为基于惯性传感器的航迹推算定位方法和基于里程计的航迹推算定位方法。里程计通过计算编码器转角结合运动学模型推算机器人位姿。惯性传感器采用陀螺仪传感器测量角速度，加速度计测量加速度，根据测量值的一次积分和二次积分可分别求出角度和位置参数。航迹推算定位系统相对于GPS导航系统而言，是一种自主定位技术，它的优点是通过自身集成的惯性传感器计算出物体的速度和位置信息。但和其他基于惯导元件的定位算法一样，由于自身的误差积累，其定位精度将会随着时间的增长而散发，不适合长距离和长时间的准确定位。

地图匹配定位：机器人通过传感器感知外界的局部环境，建立局部地图，然后通过对比局部环境的几何特征与事先建立好的全局地图确定自身在环境中的位置。地图匹配定位技术的核也在于建立地图模型和匹配算法的研究。Kweon和Kanadel首先采用地图匹配定位方法，通过提取特征和匹配特征估算相对位置的一个起始状态，然后通过多种局部地图获得全局地图在工作环境中的位置与方向，最后用优化的程序迭代估计并计算更精确的位置。

超声波定位：长安大学的张婷基于超声波传感器的测距原理，用四个压电式超声波传感器接收模块接收移动机器人上超声波发射模块发出的超声波信号，计算机器人相对于四个接收模块的距离，利用三点定位原理，结合最小二乘法计算机器人可靠位置。超声波定位抗干扰性强，精度高，而且可以解决机器人迷路问题。但超声波在传输过程中衰减明显从而影响其定位有效范围，其覆盖范围小且覆盖范围不宜大于10米，难以在室外大规模应用。

另外，激光雷达定位精度高，但其不能在空旷或环境变动较大、雨雪天气场太阳光直射等场所的应用；射频识别技术中，RFID标签需要精密的前期现场勘查，并提前布置好多个标签；惯导系统存在漂移误差和累积误差；基于视觉的定位对于不同光线、天气和背景处理相当困难。

由于单个传感器采集到的信息有限且传感器噪声对定位准确性和有效内容产生影响，目前移动机器人定位领域的研究热点是多传感器信息的融合及相应融合算法的研究。

发明内容

为实现室外巡检机器人高精度定位，基于GPS在室外定位具有天然的优势，但是民用定位精度较低；超声波具有成本低、布设便利，但超声波在传输过程中衰减明显、覆盖范围小的特点，本发明提供一种基于GPS与超声波的室外机器人定位系统及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于GPS与超声波的室外机器人定位系统，包括GPS定位系统、超声波定位系统和机器人导航系统；所述超声波定位系统包括在定位区域固定安装的若干个超声波接收模块；所述机器人导航系统安装在机器人本体上，包括GPS天线、GPS处理模块、超声波发射模块、超声波定位处理模块和综合定位芯片；

所述GPS处理模块用于接收处理GPS天线所接收的GPS信号，同时通过串口将GPS处理模块处理后的GPS定位数据传输给综合定位芯片；

所述超声波定位处理模块用于向所述超声波发射模块通过串口提供触发信号并记录时间，同时所述超声波定位处理模块还向超声波接收模块通过无线方式发出触发信号；在超声波接收模块接收到触发信号后开始计时，直到接收到超声波发射模块传输过来的超声波信号时停止计时，所述超声波接收模块通过无线射频信号向所述超声波定位处理模块传输其时间差及超声波接收模块编码；

所述综合定位芯片用于对GPS处理模块的GPS定位数据及超声波定位处理模块的信号进行综合处理，所述GPS处理模块和超声波定位处理模块分别通过串口与所述综合定位芯片连接；在匹配时间后，所述综合定位芯片将机器人的GPS定位数据提交给所述超声波定位处理模块，所述超声波定位处理模块根据所述GPS定位数据进行查表计算和进行定位数据的精确值计算。

进一步的，所述超声波发射模块包括依次连接的第一单片机、超声波发射驱动电路、超声波发射器和第一射频通讯模块；所述超声波接收模块包括依次连接的第二射频通讯模块、超声波接收器、信号调制电路及第二单片机，所述信号调制电路用于信号处理与放大，所述第一射频通讯模块和第二射频通讯模块均用于产生时间基准并实现超声波接收模块与机器人之间的通讯。

进一步的，所述超声波发射模块整体外形为圆台或圆锥形，沿所述圆台或圆锥外壁一周均匀布置有若干个超声波发射器，在所述圆台或圆锥顶部也布置有一个超声波发射器。

进一步的，所述超声波发射模块中还包括温度传感器，用于实时测量室外温度，并将测得的室外温度传送给第一单片机。

进一步的，所述超声波发射器和超声波接收器均采用压电式超声波传感器，所述压电式超声波传感器由两个压电晶片和一个共振板组成。

进一步的，所述机器人采用履带式机器人。

一种基于GPS与超声波的室外机器人定位方法，包括以下步骤：

步骤1，通过机器人的GPS天线获取GPS信号，由机器人负载的GPS处理模块获取机器人的GPS定位数据；

步骤2，由机器人负载的超声波发射模块发射超声波，同时第一射频通讯模块向超声波接收模块发射时间基准信号；

步骤3，位于定位区域的超声波接收模块接收到所述时间基准信号，由第二射频通讯模块开始启动定时器；所述超声波接收模块同时等待接收发射过来的超声波信号，计算出超声波的飞行时间，通过超声波的飞行时间测定机器人与所述超声波接收模块位置之间的距离；

步骤4，机器人负载的超声波定位处理模块接收到由各个超声波接收模块无线回传的距离信息，计算出机器人的位置坐标；

步骤5，若计算出的机器人位置坐标为唯一解，则采用该位置坐标为机器人的定位结果；若计算出的机器人位置坐标出现多解，将所计算出的机器人多个位置坐标分别与步骤1中的GPS定位数据进行比较，取差值较小者为机器人的定位结果。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用GPS与超声波进行复合的算法，可以进一步提高室外定位精度，精度优于0.1米。

2、本发明采用GPS与超声波进行复合的算法，结合GPS粗定位技术，可以有效扩大超声波定位的覆盖范围，解决超声波阵列定位的多值性问题。

3、本发明提出的室外复合定位算法，利用GPS粗步划定网格，快速遍历算法，大大降低了超声波三点定位算法计算算法复杂度及对硬件的依赖。

4、本发明提出的室外复合定位算法，利用的超声波接收器，同时可以为局部放电、压力容器的气体泄漏进行检定。

附图说明

图1为本发明所述室外机器人定位系统结构示意图；

图2为本发明所述巡检机器人结构示意图；

图3为本发明所述机器人导航系统内部结构示意图；

其中，1-巡检机器人，2-巡检路线，3-巡检设备，4-超声波接收模块，5-GPS天线，6-超声波发射模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种基于GPS与超声波的室外机器人定位系统，包括GPS定位系统、超声波定位系统和机器人导航系统。

所述GPS定位系统采用的为当前主流商用的GPS定位系统，目前GPS定位方法是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。由于与GPS卫星有关的误差、与信号传播有关的误差、与接收设备有关的误差，目前主流商用的GPS定位精度为10米。本申请中采用GPS进行初步定位，GPS是较为成熟的商用系统，本申请不再赘述。

所述超声波定位系统包括在定位区域固定安装的若干个超声波接收模块4，所安装的若干个超声波接收模块的世界坐标均为已知的。本实施例中，在变电站内重点巡检设备3附近，每间距8米固定安装有一个超声波接收模块4，如图1所示。

所述机器人导航系统安装在机器人本体上，包括GPS天线5、GPS处理模块、超声波发射模块6、超声波定位处理模块和综合定位芯片，如图2和3所示。机器人采用履带式机器人，机器人运动模块及控制模块在此不做概述。

所述GPS处理模块用于接收处理GPS天线所接收的GPS信号，同时通过串口将GPS处理模块处理后的GPS定位数据传输给综合定位芯片。

所述超声波定位处理模块用于向所述超声波发射模块通过串口提供触发信号并记录时间，同时所述超声波定位处理模块还向超声波接收模块通过无线方式发出触发信号，该触发信号为无线射频信号形式；在超声波接收模块接收到触发信号后开始计时，直到接收到超声波发射模块传输过来的超声波信号时停止计时，所述超声波接收模块通过无线射频信号向所述超声波定位处理模块传输其时间差及超声波接收模块编码。

所述综合定位芯片用于对GPS处理模块的GPS定位数据及超声波定位处理模块的信号进行综合处理，所述GPS处理模块和超声波定位处理模块分别通过串口与所述综合定位芯片连接；在匹配时间后，所述综合定位芯片将机器人的GPS定位数据提交给所述超声波定位处理模块，所述超声波定位处理模块根据所述GPS定位数据进行查表计算和进行定位数据的精确值计算。

所述超声波发射模块6包括依次连接的第一单片机、超声波发射驱动电路、超声波发射器和第一射频通讯模块；所述超声波接收模块4包括依次连接的第二射频通讯模块、超声波接收器、信号调制电路及第二单片机，所述信号调制电路用于信号处理与放大，所述第一射频通讯模块和第二射频通讯模块均用于产生时间基准并实现超声波接收模块4与机器人之间的通讯。由于射频信号传输速率接近光速，远高于射频速率，本发明利用射频信号先激活电子标签而后使其接收超声波信号，利用时间差的方法测距。

所述超声波发射器和超声波接收器均采用压电式超声波传感器，所述压电式超声波传感器是利用压电晶体的谐振工作的，由两个压电晶片和一个共振板组成。当所述压电晶片的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有震荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板震动，产生超声波，作为超声波发射器。以上过程可逆，当压电晶片两极未加电压，共振板接收到超声波时，两极会产生相应电信号，作为超声波接收器。

所述超声波发射模块4整体外形为圆台形或圆锥形，沿所述圆台或圆锥外壁一周均匀布置有若干个超声波发射器，在所述圆台或圆锥顶部也布置有一个超声波发射器，从而保障超声波向360度方向发射的覆盖性。本实施例中，所述超声波发射模块4采用圆椎体设计，沿圆椎体外壁一周每间隔72°布置一个超声波发射模块，锥尖也布置一个超声波发射模块。

所述超声波发射模块4中还包括温度传感器，用于实时测量室外温度，并将测得的室外温度传送给第一单片机。

实施例2

一种基于GPS与超声波的室外机器人定位方法，包括以下步骤：

步骤1，通过机器人的GPS天线获取GPS信号，由机器人负载的GPS处理模块获取机器人的GPS定位数据。

具体的，在机器人运动过程中，机器人每秒可获得50次GPS定位数据，其中心绝对坐标位移不超过5厘米，定位系统将不断以上一次位置为中心，做0.1米*0.1米的网格，每个网络精度为0.02米*0.02米，遍历其达到时间差。

如在运动过程中，机器人丢失坐标，则返回重新获取GPS坐标。

若重新获取GPS坐标失败，则机器人自动重启，再次获取GPS坐标。

如机器人重启后，获取GPS坐标失败，则机器人发出告警。

步骤2，在机器人移动到重点设备附近，将复合超声波系统进行复合定位。由机器人负载的超声波发射模块发射超声波，同时第一射频通讯模块向超声波接收模块发射时间基准信号。

步骤3，位于定位区域的超声波接收模块接收到所述时间基准信号，由第二射频通讯模块开始启动定时器；所述超声波接收模块同时等待接收发射过来的超声波信号，计算出超声波的飞行时间，通过超声波的飞行时间测定机器人与所述超声波接收模块位置之间的距离。其中，所述距离通过L＝vt计算得出，L为机器人与超声波接收模块位置之间的距离，v为超声波在空气中的传播速度，t为超声波的飞行时间。

步骤4，机器人负载的超声波定位处理模块接收到由各个超声波接收模块无线回传的距离信息，计算出机器人的位置坐标。

步骤5，若计算出的机器人位置坐标为唯一解，则采用该位置坐标为机器人的定位结果；若计算出的机器人位置坐标出现多解，将所计算出的机器人多个位置坐标分别与步骤1中的GPS定位数据进行比较，取差值较小者为机器人的定位结果。

在超声波定位时，理论上任意两个超声波接收器接收到信号后，机器人均可通过该距离值获取其准确坐标。但是当机器人有超过两个超声波接收器接收到信号后，且当半径相同时，则可能出现双解。此时，则以机器人的GPS定位数据为中心，做10米*10米的网格，每个网络精度为0.05米*0.05米，遍历其达到超声波接收器的距离，输出定位结果。

实施例3

在实施例1的基础上，对于巡检设备中各种液压、气压密闭容器的管道或焊接加工接口等，由于加工质量不过关、安装不合理，或者是长期连续使用等原因都会导致细微的孔隙和裂缝，因此在压力系统的作用下就会产生泄漏。当孔隙的尺寸足够小、而容器的内外压力差足够大的时候，从孔隙中泄漏产生的气体的流速会很大，而且泄漏的气体的雷诺数通常比较高，因此就产生了湍流射流。该射流将产生超声波，固定安装在设备附近的超声波接收模块接收到该超声波，通过该超声波接收模块的第二射频模块可将该信号发送到机器人上，判定后，并发出告警信号。

实施例4

在实施例1的基础上，对于巡检设备中若变压器油中含有部分气泡，气泡处于一定的电场中，由于局部放电的原因，气泡携带一定的电荷，因此气泡收到一定的外加的电场力Fe，气泡内部将有一定的弹性作用力Fq，气泡维持平衡状态。当发生局部放电时刻，气泡所受的外在电场力突然消失，气泡平衡状态被打破，气泡在脉冲电场力的作用下将产生为衰减的振荡运动，在气泡振动的作用下周围的介质中将产生超声波。忽略局部放电的振荡过程时，超声波幅值与真实放电量成正比。固定安装在变压器设备附近的超声波接收模块接收到该超声波，通过第二射频模块可进一步发送到机器人上，判定后，并发出告警信号。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于GPS与超声波的室外机器人定位系统，其特征在于，包括GPS定位系统、超声波定位系统和机器人导航系统；所述超声波定位系统包括在定位区域固定安装的若干个超声波接收模块；所述机器人导航系统安装在机器人本体上，包括GPS天线、GPS处理模块、超声波发射模块、超声波定位处理模块和综合定位芯片；

所述GPS处理模块用于接收处理GPS天线所接收的GPS信号，同时通过串口将GPS处理模块处理后的GPS定位数据传输给综合定位芯片；

所述超声波定位处理模块用于向所述超声波发射模块通过串口提供触发信号并记录时间，同时所述超声波定位处理模块还向超声波接收模块通过无线方式发出触发信号；在超声波接收模块接收到触发信号后开始计时，直到接收到超声波发射模块传输过来的超声波信号时停止计时，所述超声波接收模块通过无线射频信号向所述超声波定位处理模块传输其时间差及超声波接收模块编码；

所述综合定位芯片用于对GPS处理模块的GPS定位数据及超声波定位处理模块的信号进行综合处理，所述GPS处理模块和超声波定位处理模块分别通过串口与所述综合定位芯片连接；在匹配时间后，所述综合定位芯片将机器人的GPS定位数据提交给所述超声波定位处理模块，所述超声波定位处理模块根据所述GPS定位数据进行查表计算和进行定位数据的精确值计算。

2.根据权利要求1所述的基于GPS与超声波的室外机器人定位系统，其特征在于，所述超声波发射模块包括依次连接的第一单片机、超声波发射驱动电路、超声波发射器和第一射频通讯模块；所述超声波接收模块包括依次连接的第二射频通讯模块、超声波接收器、信号调制电路及第二单片机，所述信号调制电路用于信号处理与放大，所述第一射频通讯模块和第二射频通讯模块均用于产生时间基准并实现超声波接收模块与机器人之间的通讯。

3.根据权利要求1所述的基于GPS与超声波的室外机器人定位系统，其特征在于，所述超声波发射模块整体外形为圆台或圆锥形，沿所述圆台或圆锥外壁一周均匀布置有若干个超声波发射器，在所述圆台或圆锥顶部也布置有一个超声波发射器。

4.根据权利要求1所述的基于GPS与超声波的室外机器人定位系统，其特征在于，所述超声波发射模块中还包括温度传感器，用于实时测量室外温度，并将测得的室外温度传送给第一单片机。

5.根据权利要求1所述的基于GPS与超声波的室外机器人定位系统，其特征在于，所述超声波发射器和超声波接收器均采用压电式超声波传感器，所述压电式超声波传感器由两个压电晶片和一个共振板组成。

6.根据权利要求1所述的基于GPS与超声波的室外机器人定位系统，其特征在于，所述机器人采用履带式机器人。

7.一种基于GPS与超声波的室外机器人定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过机器人的GPS天线获取GPS信号，由机器人负载的GPS处理模块获取机器人的GPS定位数据；

步骤2，由机器人负载的超声波发射模块发射超声波，同时第一射频通讯模块向超声波接收模块发射时间基准信号；

步骤3，位于定位区域的超声波接收模块接收到所述时间基准信号，由第二射频通讯模块开始启动定时器；所述超声波接收模块同时等待接收发射过来的超声波信号，计算出超声波的飞行时间，通过超声波的飞行时间测定机器人与所述超声波接收模块位置之间的距离；

步骤4，机器人负载的超声波定位处理模块接收到由各个超声波接收模块无线回传的距离信息，计算出机器人的位置坐标；

步骤5，若计算出的机器人位置坐标为唯一解，则采用该位置坐标为机器人的定位结果；若计算出的机器人位置坐标出现多解，将所计算出的机器人多个位置坐标分别与步骤1中的GPS定位数据进行比较，取差值较小者为机器人的定位结果。