CN111044034A - 一种固定作业区域内移动机器人定位定向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固定作业区域内移动机器人定位定向方法，首先在机器人固定作业区域边缘寻找三个非共线的靶标，确定靶标的平面位置坐标，通过固连上机器人身上的圆周扫描装置以圆周扫描的方式获取三个靶标的对应的扫描角度，然后结合靶标的坐标信息解调出机器人的实时位置信息和方位信息，本方法具有解算简单、高精度、实时性好、自动化程度高等特点，可以很好地满足固定区域内移动机器人高精度实时定位定向需求。

Description

一种固定作业区域内移动机器人定位定向方法

技术领域

本发明涉及智能机器人领域，尤其是一种固定作业区域内移动机器人定位定向方法。

背景技术

随着现代通讯技术、电子信息技术、光电检测技术的飞速发展，移动机器人关键技术逐渐成熟并投入商业应用，应用领域也不断得到拓展。与大量应用于工业生产线的固定机器人相比，移动机器人的工作环境具有非结构化和不确定性，苛刻的工作环境要求移动机器人不仅要能完成预定的功能，还需要具有移动功能、对外感知能力及移动路线的自我规划能力等。因此，移动机器人的定位定向技术成为了移动机器人领域的一个重要研究方向，也是移动机器人的一项关键核心技术。

发明内容

本发明提供了一种固定作业区域内移动机器人定位定向方法，可以通过先验靶标信息及实时角度信息解算出机器人的位置信息和方位信息，满足固定作业区域内机器人快速实时智能定位定向需求。

一种固定作业区域内移动机器人定位定向方法，步骤如下，

1)在固定作业区域边缘寻找三个靶标点，分别为O点、A点、B点，确定靶标的平面位置坐标，分别设为(x_O,y_O)、(x_A,y_A)、(x_B,y_B)；

2)某时刻假设机器人处在P点，其坐标为(x_P,y_P)，从当前角度和位置开始进行圆周扫描，假设扫描到O点、A点、B点三点时，转过的角度分别为α、β、θ，扫描机构转过一圈后停止扫描；

3)根据靶标O点、A点、B点的平面位置坐标信息及扫描得到的α、β、θ三个角度信息解算出机器人此刻所处位置坐标值及方位信息；

4)当机器人位置发生变化后，重复步骤2)、3)，从而实现实时定位定向。

步骤1)所述的三个靶标点与机器人任意时刻位置组成的四个点不共线。

步骤2)所述的圆周扫描：

1)圆周扫描方向是顺时针或逆时针；

2)圆周扫描模式采用激光束扫描或图像传感器扫描，对应的靶标为相应的位置传感器或具有图像可识别特征的物体。

所述的固定作业区域为平整区域，或者所述的圆周扫描机构具有自动寻平功能，保证圆周扫描时能寻找到靶标。

步骤3)所述的机器人实时位置信息解算算法如下：

1)从O点、A点、B点三个靶标点中任意选取两个与机器人位置不共线的点，与P点三点组成一个三角形，外接圆方程为(x-x_R1)²+(y-y_R1)²＝r_C1 ²，由选取的两点的坐标及角度α、β、θ，求得外接圆圆心坐标(x_R1,y_R1)和半径r_C1，从而解得所述三角形外接圆方程；

2)从O点、A点、B点、P点找到另一组不共线的点，同理可求解得到另一个三角形外接圆方程；

3)联立两个三角形外接圆方程，求得交点P坐标(x_P,y_P)，由此得到机器人实时位置信息。

步骤3)所述的机器人实时方位信息为其当前朝向与参考方向的相对角度关系，当参考方向定为平面参考系x轴正向时，对应的方位信息解算算法如下：

1)由O点和P点坐标计算出直线OP的倾斜角λ_OP；

2)机器人当前朝向与坐标系x轴正向的夹角为λ_OP与α的线性组合，即为180*k1+λ_OP*k2+α*k3，其中k2、k3取值范围为±1，k1为整数，k1、k2、k3与O点和P点在坐标系中的相对位置有关。

本发明的有益效果：

本发明通过在固定作业区域提前设定靶标，采用圆周扫描方式得到靶标的扫描角度，实时解算出机器人的位置信息和方位信息，具有解算简单、高精度、实时性好、自动化程度高等特点，可以很好地满足固定区域内移动机器人高精度实时定位定向需求。

附图说明

图1是固定区域内移动机器人定位定向方法的原理示意图；

图2是机器人作业区域与三个靶标点构成的图形的几何关系图；

图3是外接圆方程解算原理图；

图4是应用案例原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述。

一种固定作业区域内移动机器人定位定向方法，其原理如图1所示，主要步骤如下，

1)在固定作业区域边缘寻找三个的靶标点，分别为O点、A点、B点，确定靶标的平面位置坐标，分别设为(x_O,y_O)、(x_A,y_A)、(x_B,y_B)；

2)某时刻假设机器人处在P点，其坐标为(x_P,y_P)，从当前角度和位置开始进行圆周扫描，假设扫描到O点、A点、B点三点时，转过的角度分别为α、β、θ，扫描机构转过一圈后停止扫描；

3)根据靶标的位置坐标信息及机器人扫描得到的三个角度信息解算出机器人此刻所处位置坐标值，根据扫描得到的角度信息解算出机器人此刻的方位信息；

4)当机器人位置发生变化后，重复步骤2)、3)，可实现实时定位定向。

步骤1)所述的靶标点的选取原则为：靶标点的选取必须满足三个靶标与机器人任意时刻位置组成的四个点不共线。

如图1所示，五星标记的P点为当前机器人位置，P点引出的带箭头线段为当前机器人朝向，α、β、θ分别为圆周扫描时机器人从当前朝向扫描到O点、A点、B点时扫过的角度。图中实线矩形为机器人预定作业区域，该区域形状也可三角形、圆形或其它不规则形状，三个靶标的位置也可以任意选取，但三个靶标点与机器人在作业区域内位置的关系需满足任意时刻四点不共线原则。机器人作业区域与三个靶标点构成的图形的几何关系可以是多样的，包括但不限于图2所示的关系。

步骤2)所述的圆周扫描特点如下：

1)圆周扫描方向可以是顺时针或逆时针；

2)圆周扫描模式可以采用激光束扫描或图像传感器扫描，对应的靶标分别为位置传感器和具有明显图像可识别特征的物体；

3)机器人在平整区域作业，或圆周扫描机构需具有自动寻平功能，保证圆周扫描时能寻找到靶标。

当采用激光束进行扫描时，机器人本体上应固定一扫描用激光，并可在机械装置驱动下进行圆周扫描，靶标上需加位置传感器如PSD/QPD等。当采用图像传感器时，机器人本体上只需固定一图像传感器，靶标只需满足具有明显的图像可识别特征即可，此时靶标可以是作业区域附近的固有物体，也可以是临时放置的专用靶标。为确保机器人在作业区域任意位置，圆周扫描均可得到准确的扫描结果，机器人作业区域应平整或圆周扫描机构上自带寻平功能。

步骤3)所述的机器人实时位置信息解算算法如下：

1)从三个靶标点中任意选取两个与机器人位置不共线的点，假设为O点和A点，则由O点、A点和P点三点组成一个三角形，假设其外接圆方程为(x-x_R1)²+(y-y_R1)²＝r_C1 ²，由O点A点坐标及角度α、β、θ，可求得外接圆圆心坐标(x_R1,y_R1)和半径r_C1，则可解得三角形OAP外接圆方程；

2)由于四个点不共线，可找到另一组不共线的点，假设为O点、B点和P点，同理可求解得到三角形OBP外接圆方程；

3)联立两个外接圆方程，已知其中一个交点O，可求得另一个交点P坐标(x_P,y_P)，由此得到机器人实时位置信息。

如图3所示，圆C₁为三角形OAP的外接圆，R₁为圆C₁的圆心，根据圆周角定理，

∠OR₁A＝360°-2∠OPA＝360°-2(β-α)

M为线段OA的中点，R₁M为∠OR₁A的角平分线，则

∠R₁OA＝(β-α)-90°

线段OM长度为

则圆C₁半径为

已知点O和点A坐标分别为(x_O,y_O)、(x_A,y_A)，则直线OA的斜率K_OA为

直线OA的倾斜角λ_OA为

直线OR₁的倾斜角

为

直线OR₁方程为

直线OR₁方程：

M为线段OA的中点，M点坐标为

直线R₁M方程为

直线R₁M方程：

R₁为直线OR₁和直线R₁M的交点，联立直线方程可求得R₁坐标(x_R1,y_R1)，则圆C₁方程为

同理，可求得三角形OPB外接圆C₂方程，

O点和P点为圆C₁圆C₂的交点，联立两个圆方程，已经其中一个交点O，可求得另一交点P的坐标，

其中，

当机器人作业区域与三个靶标点构成的图形的几何关系为图2所示其它情况时，个别步骤求解过程符号可能存在反向或角度需要加上180*n(n为整数)，可根据具体情况进行分析，但求解的原理和过程不变，且当机器人作业区域与三个靶标点构成的图形的几何关系确定时，上述步骤的求解过程也是确定的。

步骤3)所述的机器人实时方位信息为其当前朝向与参考方向的相对角度关系。当参考方向定为平面参考系x轴正向时，对应的方位信息解算算法如下：

1)由O点和P点坐标计算出直线OP的倾斜角λ_OP；

2)机器人当前朝向与坐标系x轴正向的夹角为λ_OP与α的线性组合，即为180*k1+λ_OP*k2+α*k3，其中k2、k3取值范围为±1，k1为整数，k1、k2、k3与O点和P点在坐标系中的相对位置有关。

如图1所示，解算出当前机器人位置P点坐标后，可得到此时直线OP的倾斜角，

此时，矢量PO与x轴正向夹角为180°-λ_OP，采用以下规则定义机器人朝向：1)机器人朝向角范围为0°～360°；2)机器人朝向与x轴正向重合时，朝向角为0°，沿逆时针方向朝向角变大。由图1中角度的对应关系，可得机器人朝向角为180°+λ_OP+α，此时k1＝k2＝k3＝1。

本发明通过在机器人作业区域外选择三个靶标，采用圆周扫描的方式得到三个靶标对应的扫描角度，而后利用三角形与圆的关系巧妙地解算出机器人位置和方位信息，可以很好地满足固定作业区域内机器人快速实时智能定位定向需求。

应用实施例

实际应用中，为简化解算过程，选择靶标点可以构造独特的形状，建造坐标系时尽可能让靶标点落在坐标原点或坐标轴上。如图4所示，假设三个靶标点构成等腰直角三角形，O点是坐标系原点，A点和B点分别位置y轴和x轴上，O点坐标为(0,0)，A点坐标为(0,1)，B点坐标为(1,0)，圆周扫描结果为α＝55°、β＝167.5°、θ＝302.5°。由此可解算得到两个外接圆方程分别为(x+0.2071)²+(y-0.5)²＝0.5412²、(y+0.2071)²+(x-0.5)²＝0.5412²。联立两圆方程，可解得P点坐标(0.2929,0.2929)，此时机器人方位信息即朝向为280°。

Claims (6)

1.一种固定作业区域内移动机器人定位定向方法，其特征在于，步骤如下，

1）在固定作业区域边缘寻找三个靶标点，分别为O点、A点、B点，确定靶标的平面位置坐标，分别设为（x_O,y_O）、（x_A,y_A）、（x_B,y_B）；

2）某时刻假设机器人处在P点，其坐标为（x_P,y_P），从当前角度和位置开始进行圆周扫描，假设扫描到O点、A点、B点三点时，转过的角度分别为𝜶、β、θ，扫描机构转过一圈后停止扫描；

3）根据靶标O点、A点、B点的平面位置坐标信息及扫描得到的𝜶、β、θ三个角度信息解算出机器人此刻所处位置坐标值及方位信息；

4）当机器人位置发生变化后，重复步骤2）、3），从而实现实时定位定向。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）所述的三个靶标点与机器人任意时刻位置组成的四个点不共线。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）所述的圆周扫描：

1）圆周扫描方向是顺时针或逆时针；

2）圆周扫描模式采用激光束扫描或图像传感器扫描，对应的靶标为相应的位置传感器或具有图像可识别特征的物体。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述的固定作业区域为平整区域，或者所述的圆周扫描机构具有自动寻平功能，保证圆周扫描时能寻找到靶标。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3）所述的机器人实时位置信息解算算法如下：

1）从O点、A点、B点三个靶标点中任意选取两个与机器人位置不共线的点，与 P点三点组成一个三角形，外接圆方程为(x-x_R1)²+(y-y_R1)²=r_C1 ²，由选取的两点的坐标及角度𝜶、β、θ，求得外接圆圆心坐标（x_R1, y_R1）和半径r_C1，从而解得所述三角形外接圆方程；

2）从O点、A点、B点、P点找到另一组不共线的点，同理可求解得到另一个三角形外接圆方程；

3）联立两个三角形外接圆方程，求得交点P坐标（x_P,y_P），由此得到机器人实时位置信息。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3）所述的机器人实时方位信息为其当前朝向与参考方向的相对角度关系，当参考方向定为平面参考系x轴正向时，对应的方位信息解算算法如下：

1）由O点和P点坐标计算出直线OP的倾斜角λ _OP ；

2）机器人当前朝向与坐标系x轴正向的夹角为λ _OP 与𝜶的线性组合，即为180*k1+λ _OP *k2+𝜶*k3，其中k2、k3取值范围为±1，k1为整数，k1、k2、k3与O点和P点在坐标系中的相对位置有关。

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