CN110874102A - 一种移动机器人虚拟安全防护区域保护系统以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种移动机器人虚拟安全防护区域保护系统以及方法,包括移动机器人、机器人安全单元和激光测距元件,所述机器人安全单元设定不同的虚拟安全防护区域的范围及机器人在不同区域内的安全避障机制,所述激光测距元件测量障碍物的距离信息,所述机器人安全单元读取所述激光测距元件测量的距离数据,通过坐标转换,将距离数据转换为与虚拟安全防护区域在同一坐标系的数据值,通过算法判断障碍物所在的区域,并根据优先级原则执行相应安全避障机制;本申请对在满足安全要求的情况下,降低成本,实现小型激光测距元件在机器人上的安全使用,同时安全距离可以灵活调节,满足机器人在不同应用场景的安全需求。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人控制技术领域,尤其涉及一种移动机器人虚拟安全防护区域保护系统以及方法。
背景技术
随着工业生产发展的需求及移动机器人技术的发展,越来越多的移动机器人被用于工厂物流转运,移动机器人在复杂环境中的人机协作的安全性成为了一个重要的问题,需同时对静态的、动态的障碍物进行实时防护。最常用安全保护的方法是使用带有硬件安全开关量的激光测距元件,如安全雷达,但是,目前此种安全激光测距元件体积较大,且价格昂贵,不适用于小型机器人。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题,本申请的目的在于提供一种移动机器人虚拟安全防护区域保护系统以及方法。
为实现本发明的目的,本发明提供的了一种移动机器人虚拟安全防护区域保护系统,包括机器人安全单元和激光测距元件,
所述机器人安全单元设定虚拟安全防护区域的范围,所述虚拟安全防护区域包括范围不同的多级安全区域,所述机器人安全单元设定所述移动机器人在多级安全区域内的安全避障机制;
其中,机器人安全单元设定虚拟安全防护区域的范围及安全避障机制,具体包括如下步骤:
步骤1.1所述虚拟安全防护区域包括范围不同的多级安全区域,每一级安全区域的设置方式如下:以机器人中心坐标为原点,在机器人四周设置至少4个坐标点,将所述坐标点依次连接起来所围成的多边形区域,则为该级安全区域;
步骤1.2设置障碍物在多级安全区域内时所执行的安全避障机制及优先级顺序;
所述激光测距元件安装于所述移动机器人上,其测量障碍物的距离信息,所述机器人安全单元读取所述激光测距元件测量的距离数据,通过坐标转换,将距离数据转换为与虚拟安全防护区域在同一坐标系的数据值;
机器人安全单元读取激光测距元件测量的距离数据并进行坐标转换,具体包括如下步骤:
步骤2.1机器人安全单元读取激光测距元件所测量的障碍物基于激光测距元件极坐标系的原始极坐标数据;
步骤2.2机器人安全单元读取步骤2.1中的原始极坐标数据后,将其转换为障碍物基于激光测距元件直角坐标系的点云坐标;
步骤2.3机器人安全单元将步骤2.2中转换后的障碍物基于激光测距元件直角坐标系的点云坐标转换为障碍物基于移动机器人直角坐标系的点云坐标;
机器人安全单元通过算法判断障碍物所在的区域,并根据优先级原则执行相应安全避障机制;
判断障碍物所在的安全区域,并根据优先级原则执行相应安全避障机制,具体包括如下步骤;
步骤3.1选取其中1个多边形,初始化参数sumA为0,sumA为符合条件的交点之和;
步骤3.2选取多边形中一组相邻两坐标点;判断选取的坐标点是否为重复选取,若是,执行步骤3.9;
步骤3.3比较障碍物点云y坐标值是否在相邻两坐标点中最大y坐标值和最小y坐标值区间内;
步骤3.4若不在区间内,则返回步骤3.2,若在此区间内,则执行步骤3.5计算;
步骤3.5以障碍物点云y坐标值,画一条平行于X轴的直线与选取的两坐标点连成的直线相交;
步骤3.6根据直线的两点式列出通过两坐标点的直线的方程式,将障碍物点云y坐标值代入方程式,求交点的x坐标值;
步骤3.7判断障碍物点云x坐标值是否小于交点的x坐标值,若大于,则返回步骤3.2,若小于,则进行步骤3.8计算;
步骤3.8累计计算符合条件的交点之和sumA=sumA+1,返回步骤3.2;
步骤3.9若交点之和sumA为奇数,判断障碍物在该级安全区域内,若交点之和为除0之外的偶数,则判断障碍物在该级安全区域外;
步骤3.10返回步骤3.1选取另一个多边形进行计算;
步骤3.11累计计算符合障碍物在安全区域内的安全区域个数sumN,当符合条件的安全区域个数sumN为1时,表示仅在一个安全区域内有障碍物,发布当前区域的安全避障机制;
步骤3.12当符合条件的区域个数sumN大于1时,表示同时在两个或两个以上区域内有障碍物,根据优先级原则选择适用优先级最高的虚拟安全防护区域,并将相应的安全避障机制发布给导航单元、运动单元或声光警示系统;
所述移动机器人还包括用于执行相应安全避障机制的导航单元、运动单元、声光警示单元。
相应地,本申请还提供了一种移动机器人虚拟安全防护区域保护方法,包括以下步骤:
步骤S1:机器人安全单元设定虚拟安全防护区域的范围及安全避障机制,具体包括如下步骤:
步骤1.1所述虚拟安全防护区域包括范围不同的多级安全区域,每一级安全区域的设置方式如下:以机器人中心坐标为原点,在机器人四周设置至少4个坐标点,将所述坐标点依次连接起来所围成的多边形区域,则为该级安全区域;
步骤1.2设置障碍物在多级安全区域内时所执行的安全避障机制及优先级顺序;
步骤S2:机器人安全单元读取激光测距元件测量的距离数据并进行坐标转换,具体包括如下步骤:
步骤2.1机器人安全单元读取激光测距元件所测量的障碍物基于激光测距元件极坐标系的原始极坐标数据;
步骤2.2机器人安全单元读取步骤2.1中的原始极坐标数据后,将其转换为障碍物基于激光测距元件直角坐标系的点云坐标;
步骤2.3机器人安全单元将步骤2.2中转换后的障碍物基于激光测距元件直角坐标系的点云坐标转换为障碍物基于移动机器人直角坐标系的点云坐标;
步骤S3:判断障碍物所在的安全区域,并根据优先级原则执行相应安全避障机制,具体包括如下步骤;
步骤3.1选取其中1个多边形,初始化参数sumA为0,sum为符合条件的交点之和;
步骤3.2选取多边形中一组相邻两坐标点;判断选取的坐标点是否为重复选取,若是,执行步骤3.9;
步骤3.3比较障碍物点云y坐标值是否在相邻两坐标点中最大y坐标值和最小y坐标值区间内;
步骤3.4若不在区间内,则返回步骤3.2,若在此区间内,则执行步骤3.5计算;
步骤3.5以障碍物点云y坐标值,画一条平行于X轴的直线与选取的两坐标点连成的直线相交;
步骤3.6根据直线的两点式列出通过两坐标点的直线的方程式,将障碍物点云y坐标值代入方程式,求交点的x坐标值;
步骤3.7判断障碍物点云x坐标值是否小于交点的x坐标值,若大于,则返回步骤3.2,若小于,则进行步骤3.8计算;
步骤3.8累计计算符合条件的交点之和sumA=sumA+1,返回步骤3.2;
步骤3.9若交点之和sumA为奇数,判断障碍物在该级安全区域内,若交点之和为除0之外的偶数,则判断障碍物在该级安全区域外;
步骤3.10返回步骤3.1选取另一个多边形进行计算;
步骤3.11累计计算符合障碍物在安全区域内的安全区域个数sumN,当符合条件的安全区域个数sumN为1时,表示仅在一个安全区域内有障碍物,发布当前区域的安全避障机制;
步骤3.12当符合条件的区域个数sumN大于1时,表示同时在两个或两个以上区域内有障碍物,根据优先级原则选择适用优先级最高的虚拟安全防护区域,并将相应的安全避障机制发布给导航单元、运动单元或声光警示系统;
步骤S4:导航单元、运动单元或声光警示系统接收到安全避障机制指令后执行避障措施。
在优选的实施例中,所述虚拟安全防护区域可以包括由近及远的危险区域、警示区域、避障区域,优先级原则为危险区域>警示区域>避障区域,若同时在两个及以上安全区域内有障碍物,则根据优先级原则选择适用优先级最高的虚拟安全防护区域,并将相应的安全避障机制发布给导航单元、运动单元或声光警示系统。
在优选的实施例中,执行相应的安全避障机制可以包括:
危险区域:发布零速度给运动单元,停止移动机器人,同时发布信号给声光预警单元进行警示;
警示区域:发布零速度给运动单元,停止等待预设时间后,发布信号给导航单元,绕开障碍物;
避障区域:发布信号给导航单元,绕开障碍物。
在优选的实施例中,在步骤S1中,所述坐标值及坐标点数量可以根据机器人运行速度、运行环境进行设置。
与现有技术相比,本发明利用上述系统以及方法,具有如下优势:
在激光测距元件的基础上实现虚拟安全开关量对静态、动态障碍物进行多级保护,设置不同安全防护区域,通过设定移动机器人在不同区域内的运行规则,实现安全防护的目的,同时保证机器人运行的效率。该方法以及系统在满足安全要求的情况下,降低成本,实现小型激光测距元件在机器人上的安全使用,同时安全距离可以灵活调节,满足机器人在不同应用场景的安全需求。
附图说明
图1所示为本申请实施例一种移动机器人虚拟安全防护区域保护方法系统的架构图;
图2所示为本申请实施例一种移动机器人虚拟安全防护区域保护方法的流程图;
图3所示为本申请虚拟安全防护区域的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用属于“包含”和/ 或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/ 或它们的组合。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示,本发明提供的一种移动机器人虚拟安全防护区域保护系统,包括机器人安全单元11和激光测距元件12,
所述机器人安全单元11设定虚拟安全防护区域的范围,所述虚拟安全防护区域包括范围不同的多级安全区域,所述机器人安全单元11设定所述移动机器人1在多级安全区域内的安全避障机制;
所述激光测距元件12安装于所述移动机器人1上,其实时测量障碍物的距离信息,所述机器人安全单元11读取所述激光测距元件12测量的距离数据,通过坐标转换,将距离数据转换为与虚拟安全防护区域在同一坐标系的数据值,通过算法判断障碍物所在的区域,并根据优先级原则执行相应安全避障机制;所述移动机器人1还包括用于执行相应安全避障机制的导航单元、运动单元、声光警示单元。
需要说明的是,上述的激光测距元件可采用激光雷达,且该激光雷达为移动机器人自身携带的不带有硬件安全开关量的普通激光雷达,体积小,成本较低。
所述移动机器人1还包括导航单元13、运动单元14、声光警示单元15,所述导航单元13、所述运动单元14以及所述声光警示单元15用于执行相应安全避障机制。
需要说明的是,机器人安全单元11可以为在移动机器人1上运行的通过C语言、C++语言、python语言编写的运行程序。
实施例2
如图2所示,与上述系统相应地,本发明还提供了一种移动机器人虚拟安全防护区域保护方法,包括以下步骤:
步骤S1:机器人安全单元设定虚拟安全防护区域的范围及安全避障机制,具体包括如下步骤:
(1)所述虚拟安全防护区域包括范围不同的3级安全区域,每一级安全区域的设置方式如下:以机器人中心坐标为原点,在机器人四周设置4个坐标点,将4个所述坐标点依次连接起来所围成的多边形区域,则为该级安全区域;
其中,坐标值及坐标点数量可以根据机器人运行速度、运行环境进行设置;
(2)设置障碍物在多级安全区域内时所执行的安全避障机制及优先级顺序;
步骤S2:机器人安全单元读取激光测距元件测量的距离数据并进行坐标转换,通过如下步骤:
其中,x’为障碍物基于激光测距元件直角坐标系点云数据的x坐标,y’ 为障碍物基于激光测距元件直角坐标系点云数据的y坐标,为激光测距元件测量当前障碍物的测量长度,为激光测距元件测量当前障碍物的测量角度;
(3)机器人安全单元将(2)转换后的障碍物基于激光测距元件直角坐标系的点云坐标(x' y')转换为障碍物基于移动机器人直角坐标系的点云坐标(x,y),利用下述公式二转换:
其中,x为障碍物基于机器人直角坐标系点云数据的x坐标,y为障碍物基于机器人直角坐标系点云数据的y坐标,x’ 为障碍物基于激光测距元件直角坐标系点云数据的x坐标,y’为障碍物基于激光测距元件直角坐标系点云数据的y坐标,为机器人直角坐标系相对于激光测距元件或深度视觉摄像头直角坐标系的旋转角度。
步骤S3:机器人安全单元根据步骤S2转换后的坐标判断障碍物是否在虚拟安全防护区域,通过如下步骤判断:
所述虚拟安全防护区域为多级安全区域,分为由近及远的危险区域、警示区域、避障区域,如图2所示,循环执行如下步骤;
步骤S3.1:按设置顺序选取其中一个多边形并设置参数sumA(符合条件的交点之和)为0;
步骤S3.2:从1开始给多边形顶点按照连接顺序编号,P1,P2,P3……;
步骤S3.3:取相邻的两个顶点,Pn,Pn+1;
步骤S3.4:取障碍物点云Q的y坐标值yq;
步骤S3.5:取Pn,Pn+1中最大的y坐标值ypmax与最小的坐标值ypmin;
步骤S3.6:判断yq是否在ypmax与ypmin区间内,若不在,则返回步骤S3.3,若在此区间内,则进行步骤S3.7,S3.8计算;
步骤S3.7:取障碍物点云Q的y坐标值yq,画一条平行于X轴的直线与Pn,Pn+1两点连成的直线相交;
步骤S3.8:根据直线的两点式列出通过Pn与Pn+1两点的直线的方程式, 如式三,将障碍物点云Q的y坐标值yq代入方程式,求交点的坐标值x0:
其中yq为障碍物点云坐标的y坐标值,xpn、xpn+1为顶点Pn,Pn+1的x坐标值,ypn、ypn+1为顶点Pn、Pn+1的y坐标值,n为顶点编号1,2,3……。
步骤S3.9:判断障碍物点云x坐标值xq是否小于x0,若大于,则返回步骤S3.3,若小于,则进行步骤S3.10计算;
步骤S3.10:累计计算符合条件的交点之和sumA=sumA+1,返回步骤S3.3;
步骤S3.11:若交点之和为奇数,判断障碍物在安全区域内部,若交点之和为除0之外的偶数,则判断障碍物在安全区域外部;
步骤S3.12:返回步骤S3.1选取另一个多边形进行计算;
步骤S3.13:累计计算符合障碍物在安全区域内的区域个数sumN=sumN+1,当符合条件的区域个数为1时,表示仅在一个安全区域内有障碍物,发布当前区域的安全避障机制;
步骤S3.14:当符合条件的区域个数大于2时,表示同时在两个或以上区域内有障碍物,根据优先级原则选择适用优先级最高的虚拟安全防护区域,并将相应的安全避障机制发布给导航单元、运动单元或声光警示系统,优先级原则可以为危险区域>警示区域>避障区域。
步骤4:导航单元、运动单元或声光警示系统接收到安全避障机制指令后执行避障措施,可以如下:
危险区域:发布零速度给运动单元,停止移动机器人,同时发布信号给声光预警单元进行警示;
警示区域:发布零速度给运动单元,停止等待预设时间后,发布信号给导航单元,绕开障碍物;
避障区域:发布信号给导航单元,绕开障碍物。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种移动机器人虚拟安全防护区域保护系统,其特征在于,包括机器人安全单元和激光测距元件,
所述机器人安全单元设定虚拟安全防护区域的范围,所述虚拟安全防护区域包括范围不同的多级安全区域,所述机器人安全单元设定所述移动机器人在多级安全区域内的安全避障机制;
其中,机器人安全单元设定虚拟安全防护区域的范围及安全避障机制,具体包括如下步骤:
步骤1.1所述虚拟安全防护区域包括范围不同的多级安全区域,每一级安全区域的设置方式如下:以机器人中心坐标为原点,在机器人四周设置至少4个坐标点,将所述坐标点依次连接起来所围成的多边形区域,则为该级安全区域;
步骤1.2设置障碍物在多级安全区域内时所执行的安全避障机制及优先级顺序;
所述激光测距元件安装于所述移动机器人上,其测量障碍物的距离信息,所述机器人安全单元读取所述激光测距元件测量的距离数据,通过坐标转换,将距离数据转换为与虚拟安全防护区域在同一坐标系的数据值;
机器人安全单元读取激光测距元件测量的距离数据并进行坐标转换,具体包括如下步骤:
步骤2.1机器人安全单元读取激光测距元件所测量的障碍物基于激光测距元件极坐标系的原始极坐标数据;
步骤2.2机器人安全单元读取步骤2.1中的原始极坐标数据后,将其转换为障碍物基于激光测距元件直角坐标系的点云坐标;
步骤2.3机器人安全单元将步骤2.2中转换后的障碍物基于激光测距元件直角坐标系的点云坐标转换为障碍物基于移动机器人直角坐标系的点云坐标;
机器人安全单元通过算法判断障碍物所在的区域,并根据优先级原则执行相应安全避障机制;
判断障碍物所在的安全区域,并根据优先级原则执行相应安全避障机制,具体包括如下步骤;
步骤3.1选取其中1个多边形,初始化参数sumA为0,sumA为符合条件的交点之和;
步骤3.2选取多边形中一组相邻两坐标点;判断选取的坐标点是否为重复选取,若是,执行步骤3.9;
步骤3.3比较障碍物点云y坐标值是否在相邻两坐标点中最大y坐标值和最小y坐标值区间内;
步骤3.4若不在区间内,则返回步骤3.2,若在此区间内,则执行步骤3.5计算;
步骤3.5以障碍物点云y坐标值,画一条平行于X轴的直线与选取的两坐标点连成的直线相交;
步骤3.6根据直线的两点式列出通过两坐标点的直线的方程式,将障碍物点云y坐标值代入方程式,求交点的x坐标值;
步骤3.7判断障碍物点云x坐标值是否小于交点的x坐标值,若大于,则返回步骤3.2,若小于,则进行步骤3.8计算;
步骤3.8累计计算符合条件的交点之和sumA=sumA+1,返回步骤3.2;
步骤3.9若交点之和sumA为奇数,判断障碍物在该级安全区域内,若交点之和为除0之外的偶数,则判断障碍物在该级安全区域外;
步骤3.10返回步骤3.1选取另一个多边形进行计算;
步骤3.11累计计算符合障碍物在安全区域内的安全区域个数sumN,当安全区域个数sumN为1时,表示仅在一个安全区域内有障碍物,发布当前区域的安全避障机制;
步骤3.12当符合条件的区域个数sumN大于1时,表示同时在两个或两个以上区域内有障碍物,根据优先级原则选择适用优先级最高的虚拟安全防护区域,并将相应的安全避障机制发布给导航单元、运动单元或声光警示系统;
所述移动机器人还包括用于执行相应安全避障机制的导航单元、运动单元、声光警示单元。
2.一种移动机器人虚拟安全防护区域保护方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1:机器人安全单元设定虚拟安全防护区域的范围及安全避障机制,具体包括如下步骤:
步骤1.1所述虚拟安全防护区域包括范围不同的多级安全区域,每一级安全区域的设置方式如下:以机器人中心坐标为原点,在机器人四周设置至少4个坐标点,将所述坐标点依次连接起来所围成的多边形区域,则为该级安全区域;
步骤1.2设置障碍物在多级安全区域内时所执行的安全避障机制及优先级顺序;
步骤S2:机器人安全单元读取激光测距元件测量的距离数据并进行坐标转换,具体包括如下步骤:
步骤2.1机器人安全单元读取激光测距元件所测量的障碍物基于激光测距元件极坐标系的原始极坐标数据;
步骤2.2机器人安全单元读取步骤2.1中的原始极坐标数据后,将其转换为障碍物基于激光测距元件直角坐标系的点云坐标;
步骤2.3机器人安全单元将步骤2.2中转换后的障碍物基于激光测距元件直角坐标系的点云坐标转换为障碍物基于移动机器人直角坐标系的点云坐标;
步骤S3:判断障碍物所在的安全区域,并根据优先级原则执行相应安全避障机制,具体包括如下步骤;
步骤3.1选取其中1个多边形,初始化参数sumA为0,sumA为符合条件的交点之和;
步骤3.2选取多边形中一组相邻两坐标点;判断选取的坐标点是否为重复选取,若是,执行步骤3.9;
步骤3.3比较障碍物点云y坐标值是否在相邻两坐标点中最大y坐标值和最小y坐标值区间内;
步骤3.4若不在区间内,则返回步骤3.2,若在此区间内,则执行步骤3.5计算;
步骤3.5以障碍物点云y坐标值,画一条平行于X轴的直线与选取的两坐标点连成的直线相交;
步骤3.6根据直线的两点式列出通过两坐标点的直线的方程式,将障碍物点云y坐标值代入方程式,求交点的x坐标值;
步骤3.7判断障碍物点云x坐标值是否小于交点的x坐标值,若大于,则返回步骤3.2,若小于,则进行步骤3.8计算;
步骤3.8累计计算符合条件的交点之和sumA=sumA+1,返回步骤3.2;
步骤3.9若交点之和sumA为奇数,判断障碍物在该级安全区域内,若交点之和为除0之外的偶数,则判断障碍物在该级安全区域外;
步骤3.10返回步骤3.1选取另一个多边形进行计算;
步骤3.11累计计算符合障碍物在安全区域内的安全区域个数sumN,当符合条件的安全区域个数sumN为1时,表示仅在一个安全区域内有障碍物,发布当前区域的安全避障机制;
步骤3.12当符合条件的区域个数sumN大于1时,表示同时在两个或两个以上区域内有障碍物,根据优先级原则选择适用优先级最高的虚拟安全防护区域,并将相应的安全避障机制发布给导航单元、运动单元或声光警示系统;
步骤S4:导航单元、运动单元或声光警示系统接收到安全避障机制指令后执行避障措施。
3.根据权利要求2所述的一种移动机器人虚拟安全防护区域保护方法,其特征在于,所述虚拟安全防护区域包括由近及远的危险区域、警示区域、避障区域,优先级原则为危险区域>警示区域>避障区域,若同时在两个及以上安全区域内有障碍物,则根据优先级原则选择适用优先级最高的虚拟安全防护区域,并将相应的安全避障机制发布给导航单元、运动单元或声光警示系统。
4.根据权利要求2或3所述的一种移动机器人虚拟安全防护区域保护方法,其特征在于,执行相应的安全避障机制包括:
危险区域:发布零速度给运动单元,停止移动机器人,同时发布信号给声光预警单元进行警示;
警示区域:发布零速度给运动单元,停止等待预设时间后,发布信号给导航单元,绕开障碍物;
避障区域:发布信号给导航单元,绕开障碍物。
5.根据权利要求2所述的一种移动机器人虚拟安全防护区域保护方法,其特征在于,在步骤S1中,所述坐标值及坐标点数量可以根据机器人运行速度、运行环境进行设置。
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