CN110716549A - 用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统及其导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统及其导航方法，系统包括机器人本体、远程显控装置；其中，机器人本体包括定位模块、激光雷达模块、中央运算处理模块、行走驱动模块、视频监控模块、无线通信模块以及电源模块。导航方法基于上述系统实现。本发明利用成本较低的设备方案完成对未知探索区域的地图绘制及自主导航，降低了机器人系统实现自主导航的设备成本，且系统架构更为简单高效，降低了故障发生概率，提升了运行效率。此外，地图建模方法相对于传统的三维地图建模方法更简单，降低了机器人系统实现自主导航的运算资源，提高了系统效能，降低了日常巡逻任务对系统资源的占用率，提升了巡逻机器人的续航时间。
Description
技术领域
本发明涉及地面移动式机器人导航技术领域，特别涉及一种用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统及其导航方法。
背景技术
目前典型的具有自主导航的巡逻机器人，普遍采用三维激光扫描设备结合多目视觉设备进行数据融合，绘制三维高精度地图。在执行巡逻任务时，从卫星导航系统获取机器人当前位置，将三维激光扫描设备与多目视觉设备获得的数据处理结果与先验地图进行匹配，以获取局部路径地图，从而引导巡逻机器人自主避障，逐步到达目标位置。
这种自主导航巡逻机器人系统的绘图精度高、定位准确，但存在以下问题：(1)用于构建三维地图的三维激光雷达成本高昂；(2)不论三维模型处理算法、点云配准算法、多目视觉算法，还是基于以上算法的数据融合方法，运算量大，系统响应慢；(3)系统架构复杂，故障率较高；(4)系统运行占用资源较多，续航能力差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对未知区域进行二维路径地图绘制、自主导航的巡逻机器人系统及其导航方法，以大大降低目前巡逻机器人系统的研制成本与系统复杂度。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统，该系统包括机器人本体、远程显控装置；其中，所述机器人本体包括定位模块、激光雷达模块、中央运算处理模块、行走驱动模块、视频监控模块、无线通信模块以及电源模块；
所述定位模块，用于获取机器人本体的位置及姿态信息，并将该信息传输至所述中央运算处理模块；
所述激光雷达模块，用于获取障碍物的距离、方位及尺寸信息，并将该信息传输至所述中央运算处理模块；
所述视频监控模块，用于实时采集机器人本体周边的环境图像信息，并将该信息传输至所述远程显控装置；
所述中央运算处理模块，用于根据机器人本体的位置及姿态信息、机器人本体周边的环境图像信息绘制区域二维路径地图，还用于根据接收到的信息计算避障绕行轨迹，并发送行走指令至行走驱动模块；
所述行走驱动模块，用于驱动机器人本体循迹运动；
所述无线通信模块，用于实现机器人本体与远程显控装置的信息交互；
所述电源模块，用于为自主导航机器人系统提供电能；
所述远程显控装置，用于接收并显示机器人本体发送的各种信息；还用于根据巡逻目标位置集合，按照巡逻指令顺序，结合当前机器人本体位置与区域二维路径地图，解算出最短巡逻路径，并发送运动控制指令至中央运算处理模块；所述巡逻目标位置由操纵人员在远程显控装置上自定义选取设置，巡逻指令顺序是指操纵人员设置巡逻目标的顺序。
基于上述用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统的自主导航方法，包括以下步骤：
步骤1、开启视频监控模块，操纵人员通过远程显控装置操控机器人本体进入无地图区域；
步骤2、操纵人员通过远程显控装置向机器人本体发送绘图指令，中央运算处理模块实时接收定位模块采集的机器人本体的位置点，根据固定频率采样，绘制区域二维路径地图；
步骤3、操纵人员控制机器人本体一直运动直至完成目标巡逻，由此完成区域二维路径地图的绘制；
步骤4、操纵人员通过远程显控装置向机器人本体发送绘图完成指令，中央运算处理模块将区域二维路径地图传送并存储至远程显控装置；
步骤5、操纵人员在远程显控装置中调用区域二维路径地图，并在区域二维路径地图上依次选取若干点作为巡逻目标，完成巡逻任务的设定；巡逻任务包括巡逻目标和巡逻路径；
步骤6、操纵人员在远程显控装置中启动巡逻任务，远程显控装置根据巡逻目标位置集合，按照巡逻指令顺序，结合当前机器人本体位置与区域二维路径地图，解算出最短巡逻路径，并发送运动控制指令至中央运算处理模块；
步骤7、中央运算处理模块结合远程显控装置发出的运动控制指令、激光雷达模块传送的障碍物信息以及机器人本体运动约束，解算避障运行轨迹，并将避障运行轨迹解算为行走指令发送至行走驱动模块；
步骤8、行走驱动模块驱动机器人本体按照设定的巡逻路径开始执行巡逻任务；在机器人本体执行巡逻任务时，操纵人员通过视频监控模块对可视范围内的巡逻路径进行监控，直至巡逻任务结束。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)利用成本较低的设备方案完成对未知探索区域的地图绘制及自主导航，降低了机器人系统实现自主导航的设备成本；2)系统架构更为简单高效，降低了故障发生概率，提升了运行效率；3)地图建模方法相对于传统的三维地图建模方法更简单，降低了机器人系统实现自主导航的运算资源，提高了系统效能，降低了日常巡逻任务对系统资源的占用率，提升了巡逻机器人的续航时间。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明一个实施例中用于无地图区域巡逻的自主导航机器人的系统结构图。
图2为本发明一个实施例中用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统的自主导航方法流程图。
图3为本发明中惯性测量装置与里程计进行组合导航的原理示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1，本发明提供了一种用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统，该系统包括机器人本体、远程显控装置；其中，机器人本体包括定位模块、激光雷达模块、中央运算处理模块、行走驱动模块、视频监控模块、无线通信模块以及电源模块；
定位模块，用于获取机器人本体的位置及姿态信息，并将该信息传输至所述中央运算处理模块；
激光雷达模块，用于获取障碍物的距离、方位及尺寸信息，并将该信息传输至中央运算处理模块；
视频监控模块，用于实时采集机器人本体周边的环境图像信息，并将该信息传输至远程显控装置；
中央运算处理模块，用于根据机器人本体的位置及姿态信息、机器人本体周边的环境图像信息绘制区域二维路径地图，还用于根据接收到的信息计算避障绕行轨迹，并发送行走指令至行走驱动模块；
行走驱动模块，用于驱动机器人本体循迹运动；
无线通信模块，用于实现机器人本体与远程显控装置的信息交互；
电源模块，用于为自主导航机器人系统提供电能；
远程显控装置，用于接收并显示机器人本体发送的各种信息；还用于根据巡逻目标位置集合，按照巡逻指令顺序，结合当前机器人本体位置与区域二维路径地图，解算出最短巡逻路径，并发送运动控制指令至中央运算处理模块；巡逻目标位置由操纵人员在远程显控装置上自定义选取设置，巡逻指令顺序是指操纵人员设置巡逻目标的顺序。
上述用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统，利用成本较低的设备方案完成对未知探索区域的地图绘制及自主导航，降低了机器人系统实现自主导航的设备成本；系统整体架构更为简单高效，降低了故障发生概率，提升了运行效率。且机器人在运动过程中，遇到障碍物能实现自主避障，提高了巡逻机器人的安全性。
进一步地，在其中一个实施例中，定位模块包括：
惯性测量装置，用于采集机器人本体的位置、行走速度、距离及方位角信息；
里程计，用于采集机器人本体行走装置的转动弧度。
本实施例方案组合定位的原理图如图3所示，采用本实施例的方案，将惯性测量装置、里程计的数据进行数据融合，能降低机器人本体行走装置滑动、惯性测量累计误差(惯性器件的误差随时间累积，可以通过里程计修正航位推算及标校)等所导致的机器人绝对位置偏差，获得的定位信息更加精准。
进一步地，在其中一个实施例中，惯性测量装置设置在机器人本体舱室内部，里程计设置在驱动机器人本体行走装置的驱动装置中。
采用本实施例的方案，将惯性测量装置、里程计安装于更合适更优的位置，采集的数据更加准确，进而提高定位精度。
进一步优选地，在其中一个实施例中，上述里程计采用数字式编码器或模拟编码器。
进一步地，在其中一个实施例中，远程显控装置还用于配置激光雷达模块、视频监控模块等设备的工作参数。例如通过远程显控装置可以配置激光雷达模块的扫描角度、扫描频率等，可以配置视频监控模块中摄像机的角度、航向、焦距、关门调节等等。
采用本实施例的方案，能够提高自主导航机器人系统的适应性和灵活性，通过自由配置设备的工作参数以匹配、适应系统所处的具体环境，提高了探测精度，进而提高整个系统导航的可靠性。
进一步地，在其中一个实施例中，行走驱动模块包括电机、驱动器和传动机构(如减速器)等，该模块接收中央运算处理模块的行走指令，通过驱动器驱动电机实现机器人本体运动的速度控制、转向控制、灯光控制等等。
进一步优选地，在其中一个实施例中，激光雷达模块具体采用单线激光雷达，通过扫描获取障碍物的点云图，之后通过激光雷达模块中的运算处理单元解算获得障碍物的距离、方位及尺寸信息。
进一步优选地，在其中一个实施例中，视频监控模块具体采用激光夜视仪。
进一步优选地，在其中一个实施例中，无线通信模块具体采用编码正交频分复用技术。
进一步优选地，在其中一个实施例中，电源模块具体采用锂动力电池组。
进一步优选地，在其中一个实施例中，定位模块与中央运算处理模块之间通过RS422串口进行通讯。
进一步优选地，在其中一个实施例中，激光雷达模块与中央运算处理模块之间通过RS422串口、IEEE1394接口进行通讯。
结合图2，在其中一个实施例中，基于上述用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统的自主导航方法，包括以下步骤：
步骤1、开启视频监控模块，操纵人员通过远程显控装置操控机器人本体进入无地图区域；
步骤2、操纵人员通过远程显控装置向机器人本体发送绘图指令，中央运算处理模块实时接收定位模块采集的机器人本体的位置点，根据固定频率采样，绘制区域二维路径地图；
步骤3、操纵人员控制机器人本体一直运动直至完成目标巡逻，由此完成区域二维路径地图的绘制；
步骤4、操纵人员通过远程显控装置向机器人本体发送绘图完成指令，中央运算处理模块将区域二维路径地图传送并存储至远程显控装置；
步骤5、操纵人员在远程显控装置中调用区域二维路径地图，并在区域二维路径地图上依次选取若干点作为巡逻目标，完成巡逻任务的设定；巡逻任务包括巡逻目标和巡逻路径；
步骤6、操纵人员在远程显控装置中启动巡逻任务，远程显控装置根据巡逻目标位置集合，按照巡逻指令顺序，结合当前机器人本体位置与区域二维路径地图，解算出最短巡逻路径，并发送运动控制指令至中央运算处理模块；
步骤7、中央运算处理模块结合远程显控装置发出的运动控制指令、激光雷达模块传送的障碍物信息以及机器人本体运动约束，解算避障运行轨迹，并将避障运行轨迹解算为行走指令发送至行走驱动模块；
步骤8、行走驱动模块驱动机器人本体按照设定的巡逻路径开始执行巡逻任务，遇有障碍物，可以自主避障；在机器人本体执行巡逻任务时，操纵人员通过视频监控模块对可视范围内的巡逻路径进行监控，直至巡逻任务结束。
综上可知，本发明利用成本较低的设备方案完成对未知探索区域的地图绘制及自主导航，降低了机器人系统实现自主导航的设备成本，且系统架构更为简单高效，降低了故障发生概率，提升了运行效率。此外，地图建模方法相对于传统的三维地图建模方法更简单，降低了机器人系统实现自主导航的运算资源，提高了系统效能，降低了日常巡逻任务对系统资源的占用率，提升了巡逻机器人的续航时间。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统，其特征在于，该系统包括机器人本体、远程显控装置；其中，所述机器人本体包括定位模块、激光雷达模块、中央运算处理模块、行走驱动模块、视频监控模块、无线通信模块以及电源模块；
所述定位模块，用于获取机器人本体的位置及姿态信息，并将该信息传输至所述中央运算处理模块；
所述激光雷达模块，用于获取障碍物的距离、方位及尺寸信息，并将该信息传输至所述中央运算处理模块；
所述视频监控模块，用于实时采集机器人本体周边的环境图像信息，并将该信息传输至所述远程显控装置；
所述中央运算处理模块，用于根据机器人本体的位置及姿态信息、机器人本体周边的环境图像信息绘制区域二维路径地图，还用于根据接收到的信息计算避障绕行轨迹，并发送行走指令至行走驱动模块；
所述行走驱动模块，用于驱动机器人本体循迹运动；
所述无线通信模块，用于实现机器人本体与远程显控装置的信息交互；
所述电源模块，用于为自主导航机器人系统提供电能；
所述远程显控装置，用于接收并显示机器人本体发送的各种信息；还用于根据巡逻目标位置集合，按照巡逻指令顺序，结合当前机器人本体位置与区域二维路径地图，解算出最短巡逻路径，并发送运动控制指令至中央运算处理模块；所述巡逻目标位置由操纵人员在远程显控装置上自定义选取设置，巡逻指令顺序是指操纵人员设置巡逻目标的顺序。
2.根据权利要求1所述的用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统，其特征在于，所述定位模块包括：
惯性测量装置，用于采集机器人本体的位置、行走速度、距离及方位角信息；
里程计，用于采集机器人本体行走装置的转动弧度。
3.根据权利要求2所述的用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统，其特征在于，所述惯性测量装置设置在机器人本体舱室内部，里程计设置在驱动机器人本体行走装置的驱动装置中。
4.根据权利要求2或3所述的用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统，其特征在于，所述里程计采用数字式编码器或模拟编码器。
5.根据权利要求1所述的用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统，其特征在于，所述远程显控装置还用于配置激光雷达模块、视频监控模块的工作参数。
6.根据权利要求1所述的用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统，其特征在于，所述激光雷达模块具体采用单线激光雷达，通过扫描获取障碍物的点云图，之后通过激光雷达模块中的运算处理单元解算获得障碍物的距离、方位及尺寸信息。
7.根据权利要求1所述的用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统，其特征在于，所述视频监控模块具体采用激光夜视仪。
8.根据权利要求1所述的用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统，其特征在于，所述无线通信模块具体采用编码正交频分复用技术。
9.根据权利要求1所述的用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统，其特征在于，所述电源模块具体采用锂动力电池组。
10.基于权利要求1至9任意一项所述的用于无地图区域巡逻的自主导航机器人系统的自主导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、开启视频监控模块，操纵人员通过远程显控装置操控机器人本体进入无地图区域；
步骤2、操纵人员通过远程显控装置向机器人本体发送绘图指令，中央运算处理模块实时接收定位模块采集的机器人本体的位置点，根据固定频率采样，绘制区域二维路径地图；
步骤3、操纵人员控制机器人本体一直运动直至完成目标巡逻，由此完成区域二维路径地图的绘制；
步骤4、操纵人员通过远程显控装置向机器人本体发送绘图完成指令，中央运算处理模块将区域二维路径地图传送并存储至远程显控装置；
步骤5、操纵人员在远程显控装置中调用区域二维路径地图，并在区域二维路径地图上依次选取若干点作为巡逻目标，完成巡逻任务的设定；巡逻任务包括巡逻目标和巡逻路径；
步骤6、操纵人员在远程显控装置中启动巡逻任务，远程显控装置根据巡逻目标位置集合，按照巡逻指令顺序，结合当前机器人本体位置与区域二维路径地图，解算出最短巡逻路径，并发送运动控制指令至中央运算处理模块；
步骤7、中央运算处理模块结合远程显控装置发出的运动控制指令、激光雷达模块传送的障碍物信息以及机器人本体运动约束，解算避障运行轨迹，并将避障运行轨迹解算为行走指令发送至行走驱动模块；
步骤8、行走驱动模块驱动机器人本体按照设定的巡逻路径开始执行巡逻任务；在机器人本体执行巡逻任务时，操纵人员通过视频监控模块对可视范围内的巡逻路径进行监控，直至巡逻任务结束。
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