CN112162556A - 导航方法、整平机器人、存储介质、处理器及导航系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种导航方法、整平机器人、存储介质、处理器及导航系统。整平机器人包括：底盘；控制装置，与底盘枢转连接，控制装置相对于底盘在竖直方向上可摆动地设置；以及整平装置，与控制装置连接；导航方法包括：步骤S10：实时获取底盘的运动控制中心的位置信息；步骤S20：根据位置信息控制底盘的动作。本发明的技术方案能够对整平机器人进行较准确的导航。
Description
技术领域
本发明涉及整平技术领域，具体而言，涉及一种导航方法、整平机器人、存储介质、处理器及导航系统。
背景技术
随着国内社会老龄化的发展和人口红利的逐渐消失，中国建筑行业面临着越来越大的人工成本压力。建筑施工中存在大量的重复劳动、高危作业，生产效率较低，数字化与智能化程度严重不足的问题。建筑机器人替代人类施工是保障人员安全、改善工作条件的关键点，也是提高建造效率的必由之路。泥浆整平机器人用于建筑楼层浇筑后的泥浆整平。目前日本、德国等已研发相关半自动泥浆整平机器人，可通过人工遥控进行整平作业，并且逐渐形成相应成熟的产品，但因尚未实现全自动导航，其人工成本、作业效率、作业质量与自动化智能化水平还有待改善。
目前的整平机器人中，整平机器人包括底盘、与底盘固定连接的控制装置以及与控制装置连接的整平装置，由于底盘和控制装置之间不会发生相对转动，一般通过设置在控制装置上的导航模块进行导航，导航模块检测整平机器人的位置信息并将信息传递给控制装置，控制装置根据获得的上述位置信息对整平机器人的底盘的动作进行控制，以对整平机器人进行导航。但是，在发明人所知道的另外一些整平机器人中，底盘与控制装置是枢转连接的，控制装置相对于底盘会转动，并产生一定的倾角，如果还采用上述的导航方法对整平机器人进行导航的话，导航模块获取的是控制装置的中心的位置信息，而不能获取底盘的运动控制中心的位置信息，因此，上述的整平机器人是通过控制装置根据控制装置的中心的位置信息控制底盘的动作来实现导航的，上述根据控制装置的位置信息来控制底盘动作的导航方式中，由于检测位置(即控制装置的中心)与控制位置(即底盘的运动控制中心)不重合，因此会导致导航结果不准确。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种导航方法、整平机器人、存储介质、处理器及导航系统，能够对整平机器人进行较准确的导航。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种整平机器人的导航方法，整平机器人包括：底盘；控制装置，与底盘枢转连接，控制装置相对于底盘在竖直方向上可摆动地设置；以及整平装置，与控制装置连接，导航方法包括：步骤S10：实时获取底盘的运动控制中心的位置信息；步骤S20：根据位置信息控制底盘的动作。通过上述步骤，可以实时获取底盘的运动控制中心的位置信息，从而能够根据整平装置的状态直接对底盘的动作进行准确控制，从而实现对整平机器人的准确导航。上述设置中，底盘运动，带动控制装置和整平装置随底盘一起运动，从而实现整平机器人的运动，因此，根据底盘的运动控制中心的位置信息对底盘进行准确控制，就可以实现对整平机器人的准确导航，从而提高整平作业的质量。
进一步地，底盘包括支撑板、设置在支撑板上的行走轮以及与行走轮连接的驱动机构，实时获取底盘的运动控制中心的位置信息的步骤S10包括：实时获取驱动机构的中心的位置坐标；根据位置信息控制底盘的动作的步骤S20包括：控制驱动机构动作。支撑板与控制装置枢转连接，在驱动机构的驱动作用下，行走轮实现行走或者转向功能，从而带动支撑板运动，进而实现了底盘的运动，底盘运动带动设置在底盘上的控制装置和整平装置一起运动，最终实现整平机器人的运动；由上述分析可知，对底盘的控制实质上是对驱动机构的控制，因此，实时获取驱动机构的中心的位置信息，根据上述位置信息对驱动机构的动作进行控制，能够实现对底盘的动作的准确控制，从而能够实现对整平机器人的准确导航。
进一步地，整平机器人还包括设置在控制装置上的导航模块，在步骤S10之前，导航方法还包括步骤S01：确定底盘所在的坐标系和导航模块所在的坐标系之间的转换关系矩阵。由于导航模块设置在控制装置上，而为了实现对整平机器人的准确导航，需要检测底盘的运动控制中心的位置信息以对底盘的动作进行准确控制，因此，为了通过导航模块检测底盘的运动控制中心的位置信息，因此，需要建立导航模块和底盘的运动控制中心之间的关系，使导航模块能够实时检测底盘的运动控制中心的位置信息；从而对底盘的动作进行准确控制，进而实现对整平机器人的准确导航。
进一步地，步骤S10包括步骤S12：根据转换关系矩阵确定底盘的运动控制中心在导航模块所在的坐标系下的位置坐标。通过上述步骤，能够确定底盘的运动控制中心在导航模块坐标系下的位置坐标，从而通过导航模块能够检测到底盘的运动控制中心的位置信息，进而对底盘的动作进行控制，实现对整平机器人的准确导航。通过上述公式，可以准确计算出底盘的运动控制中心在导航模块坐标系下的坐标，从而能够使导航模块检测到底盘的运动控制中心的位置信息，进而对底盘的动作进行控制，实现对整平机器人的准确导航。
进一步地，步骤S01还包括：获取底盘的倾角；获取控制装置的倾角；根据底盘的倾角和控制装置的倾角之间的差值，获取控制装置相对于底盘的倾角θ；根据倾角θ计算转换关系矩阵。控制装置相对于底盘的倾角θ即为控制装置与底盘之间的夹角，通过检测底盘的倾角和控制装置的倾角，之后将底盘的倾角和控制装置的倾角做差值，即可获得控制装置与底盘之间的夹角，上述获得倾角θ的方法便于操作，易于实现；进一步地，由于在底盘的运动控制中心在导航模块坐标系下的坐标的计算公式中，仅θ为变量，因此，获得θ即可通过上述公式计算得出底盘的运动控制中心在导航模块坐标系下的坐标，从而使导航模块检测到底盘的运动控制中心的位置信息，以便于通过控制装置控制底盘的动作，实现对整平机器人的准确导航。
根据本发明的另一方面，提供了一种整平机器人，整平机器人包括：底盘；控制装置，与底盘枢转连接，控制装置相对于底盘在竖直方向上可摆动地设置；整平装置，与控制装置连接；导航模块，设置在控制装置上，导航模块用于实时获取底盘的运动控制中心的位置信息，其中，控制装置与导航模块连接，控制装置根据导航模块检测的位置信息控制底盘的动作。整平机器人的底盘运动，带动设置在底盘上的控制装置、整平装置以及导航模块随底盘一起运动，从而实现整平机器人的运动；导航模块将获得的底盘的运动控制中心的位置信息传递给控制装置，控制装置根据上述位置信息对底盘的动作进行准确控制，从而实现对整平机器人的准确导航。
进一步地，整平机器人还包括设置在底盘的支撑板上的倾角检测装置，倾角检测装置用于检测底盘的倾角；导航模块包括IMU传感器，IMU传感器用于检测控制装置的倾角。倾角检测装置检测底盘的倾角，导航模块检测控制装置的倾角，通过获得的底盘的倾角和控制装置的倾角，能够得到控制装置与底盘之间的夹角，也就是控制装置相对于底盘的倾角θ，得到倾角θ就可以方便地计算出底盘的运动控制中心在导航模块坐标系下的坐标，从而实现控制装置对底盘的动作进行准确控制，进而实现对整平机器人的准确导航。
根据本发明的另一方面，提供了一种存储介质，存储介质存储有程序，其中，程序被运行时执行上述的整平机器人的导航方法。存储介质用于存储程序，当运行该程序时，可以通过上述的整平机器人的导航方法对整平机器人进行导航。
根据本发明的另一方面，提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序被运行时执行上述的整平机器人的导航方法。处理器用于运行程序，当运行该程序时，可以通过上述的整平机器人的导航方法对整平机器人进行导航。
根据本发明的另一方面，提供了一种整平机器人的导航系统，包括：存储介质，用于存储程序；处理器，与存储介质通信连接，用于运行程序，其中，程序被运行时执行上述的整平机器人的导航方法。存储介质用于存储程序，处理器用于运行程序，当运行该程序时，可以通过上述的整平机器人的导航方法对整平机器人进行导航。
应用本发明的技术方案，可以实时获取底盘的运动控制中心的位置信息，从而能够根据整平装置的状态直接对底盘的动作进行准确控制，进而实现对整平机器人的准确导航。上述设置中，底盘运动，带动控制装置和整平装置随底盘一起运动，从而实现整平机器人的运动，因此，根据底盘的运动控制中心的位置信息对底盘的动作进行准确控制，使整平机器人的检测位置与控制位置重合，就可以实现对整平机器人的准确导航，从而保证整平机器人作业时的运动控制精度，提高整平作业的质量。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的整平机器人的导航方法的实施例的流程图；
图2示出了图1的整平机器人的导航方法的具体流程图；
图3示出了图1的整平机器人的导航方法的确定转换关系矩阵的流程图；
图4示出了图1的整平机器人的导航方法的获取控制装置相对于底盘的倾角的流程图；
图5示出了根据本发明的整平机器人的实施例的一个角度的立体结构示意图；
图6示出了图5的整平机器人的另一角度的立体结构示意图；以及
图7示出了图6的整平机器人的局部放大图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、底盘；11、支撑板；12、主行走轮机构；13、从行走轮机构；20、控制装置；30、整平装置；40、导航模块；41、GNSS天线；50、铰链；100、整平机器人。
具体实施方式
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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
需要说明的是，本发明及本发明的实施例中，底盘10的运动控制中心指的是与设置在底盘10的支撑板11上的行走轮连接的驱动机构的中心。
具体地，本发明的实施例中，泥浆整平机器人采用IMU(Inertial MeasurementUnit，惯性测量单元)与双天线GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统)天线41组合形成导航模块40，通过上述的导航模块40能实现整平机器人作业全过程的定位定向与测姿，并实时反馈至控制装置20，结合预设规划路径，完成自动导航作业。导航定位的精度对于整平机器人能否顺利完成施工作业以及作业质量好坏都有至关重要的影响。整平机器人的机械结构大体包括“底盘10”和“上装”两部分(如图5至图7所示，底盘10包括支撑板11、主行走轮机构12以及从行走轮机构13；上装指除底盘10之外，包括控制装置20和整平装置30等)，其中，控制装置20与底盘10的支撑板11通过铰链50实现枢转连接，本发明的实施例中，铰链50为单轴铰链，控制装置20与底盘10的支撑板11通过单轴铰链连接是指控制装置20与支撑板11之间仅存在一个绕该单轴铰链旋转的相对运动自由度，也就是说通过该单轴铰链使控制装置20相对于支撑板11仅具有一个自由度的转动运动。导航模块40安装在上装上并与控制装置20固定连接。在整平机器人的作业过程中，上装与底盘10会因整平装置30的作业力、振动、机械间隙等原因而产生相对俯仰角运动。当整平机器人处于移动状态，上装为抬起姿态，也就是说控制装置20相对于底盘10的倾角θ不为零；当整平机器人处于整平作业状态，上装为压平姿态，控制装置20与底盘10之间的俯仰角基本一致；在移动状态和整平作业状态这两种状态之间，上装与底盘10仅仅是俯仰角不同，而航向、横滚均可认为是相对静止的，上装与底盘10的运动趋势和方向是一致的(也就是说，上装与底盘10之间除了相对俯仰角运动，其余的运动趋势和方向都是一致的)。整平机器人的定位需求点，即底盘10的运动控制中心，则处于底盘10的两主行走轮机构12的中心位置，底盘10的运动控制中心与底盘10的相对位置固定，底盘10的运动控制中心与上装的相对位置不固定，而导航模块40能配置输出的定位坐标须是与上装固联(刚性连接)的点，因此，简单地通过配置导航模块的固定输出杆臂坐标值(指输出点在导航模块坐标系下的坐标值，该点与导航模块是刚性连接的，所以其坐标值不变，是固定值)，无法准确地实时输出整平机器人的底盘10的运动控制中心的位置坐标。这样在整平机器人的建筑施工过程中，无法保证其底盘10的运动控制中心的实时定位精度，会出现运动轨迹“摇摆”等导航控制精度不足的现象，甚至存在与建筑工地预埋管道、钢筋等障碍物碰撞的风险。
本发明针对上述的上装与底盘存在相对角运动的整平机器人，提出了一种基于坐标转换的整平机器人的导航方法，将导航模块40输出的位置实时转换至底盘10的运动控制中心，使检测位置与控制位置重合，从而能够对整平机器人进行准确导航，保证整平机器人作业时的运动控制精度，提高作业质量与效率。
如图1所示，本发明的实施例中，整平机器人100包括底盘10、控制装置20以及整平装置30，控制装置20与底盘10枢转连接，控制装置20相对于底盘10在竖直方向上可摆动地设置；整平装置30与控制装置20连接，整平机器人的导航方法包括：步骤S10：实时获取底盘10的运动控制中心的位置信息；步骤S20：根据上述位置信息控制底盘10的动作。
通过上述步骤，可以实时获取底盘10的运动控制中心的位置信息，从而能够根据整平装置的状态(移动状态和整平作业状态等)直接对底盘10的动作进行准确控制，进而实现对整平机器人的准确导航。上述设置中，底盘10运动，带动控制装置20和整平装置30随底盘10一起运动，从而实现整平机器人100的运动，因此，根据底盘10的运动控制中心的位置信息对底盘10的动作进行准确控制，使整平机器人的检测位置(即底盘10的运动控制中心)与控制位置(即底盘10的运动控制中心)重合，就可以实现对整平机器人100的准确导航，从而保证整平机器人作业时的运动控制精度，提高整平作业的质量。
如图5和图6所示，本发明的实施例中，底盘10包括支撑板11、设置在支撑板11上的行走轮以及与行走轮连接的驱动机构，实时获取底盘10的运动控制中心的位置信息的步骤S10包括实时获取驱动机构的中心的位置坐标；根据上述位置信息控制底盘10的动作的步骤S20包括控制驱动机构的动作。
上述设置中，支撑板11与控制装置20枢转连接，在驱动机构的驱动作用下，行走轮实现行走或者转向功能，从而带动支撑板11运动，进而实现了底盘10的运动，底盘10运动带动设置在底盘10上的控制装置20和整平装置30一起运动，最终实现整平机器人100的运动；由上述分析可知，对底盘10的控制实质上是对驱动机构的控制，因此，实时获取驱动机构的中心的位置信息，并根据上述位置信息对驱动机构的动作进行控制，能够实现对底盘的动作的准确控制，从而能够实现对整平机器人的准确导航。
需要说明的是，本发明的实施例中，驱动机构和与驱动机构连接的行走轮连接形成上述的主行走轮机构12，从行走轮机构13包括未与驱动机构连接的行走轮。需要说明的是，本申请的实施例中，可以根据实际需要，将底盘10的至少部分行走轮与驱动机构连接以形成主行走轮机构12。
需要说明的是，上述的“底盘10的运动控制中心”指的是底盘10的驱动机构的中心，该中心的位置随驱动机构的变化而变化，需根据实际情况而定；比如，如图5和图6所示，本发明的实施例中，底盘10包括支撑板11、与支撑板11连接的两个主行走轮机构12以及与支撑板11连接的两个从行走轮机构13，其中，沿整平机器人100的前进方向，两个主行走轮机构12设置在前，两个从行走轮机构13设置在后，两个主行走轮机构12包括两个沿垂直于整平机器人100的前进方向并列设置的行走轮和与两个行走轮一一对应并驱动连接的两个驱动部(本发明的实施例中，此处的两个驱动部形成上述的底盘10的驱动机构。优选地，驱动部可以为电机)，两个从行走轮机构13仅包括两个沿垂直于整平机器人100的前进方向并列设置的行走轮，本发明的实施例中，上述的“底盘10的驱动机构的中心”指的是两个驱动部的连线的中心；在本申请的附图未示出的替代实施例中，还可以根据实际需要，使整平机器人100仅包括一个主行走轮机构12(包括行走轮和与行走轮驱动连接的驱动部)和三个从行走轮机构13(仅包括行走轮，不包括与行走轮驱动连接的驱动部)，也就是说，此时的整平机器人100的底盘10仅具有一个驱动部(此驱动部形成上述的底盘10的驱动机构)，此时，上述的“底盘10的驱动机构的中心”指的是该一个驱动部的中心；或者，当整平机器人100包括四个主行走轮机构12(四个主行走轮机构12均包括行走轮和与行走轮驱动连接的驱动部)时，此时的整平机器人100的底盘10具有四个驱动部(此四个驱动部形成上述的底盘10的驱动机构)，这样，上述的“底盘10的驱动机构的中心”指的是上述四个驱动部的对角连线的中心；以此类推，可根据实际情况确定底盘10的运动控制中心的具体位置。
如图2和图3所示，本发明的实施例中，整平机器人100还包括设置在控制装置20上的导航模块40，在步骤S10之前，导航方法还包括步骤S01：确定底盘10所在的坐标系和导航模块40所在的坐标系之间的转换关系矩阵。步骤S01包括：步骤S03：以导航模块40的中心为原点，以竖直方向为Z轴，建立导航模块坐标系；步骤S05：以底盘10和控制装置20之间的枢转点为原点，以竖直方向为Z轴，建立底盘坐标系；步骤S07：计算导航模块坐标系和底盘坐标系之间的转换参数，确定转换关系矩阵。
通过上述步骤S01，可以确定能够将底盘10的运动控制中心的位置信息转换到导航模块40所在的坐标系上的转换关系矩阵。具体地，由于导航模块40设置在控制装置20上，为了实现对整平机器人的准确导航，需要检测底盘10的运动控制中心的位置信息以对底盘10的动作进行准确控制，因此，为了通过导航模块40检测底盘10的运动控制中心的位置信息，需要建立导航模块40和底盘10的运动控制中心之间的关系，使导航模块40能够实时检测底盘10的运动控制中心的位置信息；从而对底盘10的动作进行准确控制，进而实现对整平机器人的准确导航；通过上述步骤S01，可以确定能够将底盘10的运动控制中心的位置信息转换到导航模块40所在的坐标系上的转换关系矩阵，这样即可使导航模块40能够实时检测底盘10的运动控制中心的位置信息，从而对底盘10的动作进行准确控制，进而实现对整平机器人的准确导航。
需要说明的是，上述的步骤S03和步骤S05在执行过程中不具有先后顺序，也就是说，可以根据实际情况和实际需要，先执行步骤S03后执行步骤S05，或者，先执行步骤S05后执行步骤S03。
如图2所示，本发明的实施例中，步骤S10包括：步骤S11：获取底盘10的运动控制中心在底盘坐标系下的位置坐标；步骤S12：根据转换关系矩阵确定底盘10的运动控制中心在导航模块坐标系下的位置坐标。
通过上述步骤，能够确定底盘10的运动控制中心在导航模块坐标系下的位置坐标，从而通过导航模块40能够检测到底盘10的运动控制中心的位置信息，进而对底盘10的动作进行准确控制，实现对整平机器人的准确导航。
优选地，本发明的实施例中，上述步骤S12中的底盘10的运动控制中心在导航模块坐标系下的位置坐标
满足如下公式：
其中，
为转换关系矩阵，
为底盘10的运动控制中心在底盘坐标系下的坐标，
为底盘10与控制装置20之间的枢转点在导航模块坐标系下的坐标，θ为控制装置20相对于底盘10的倾角。
通过上述公式，可以准确计算出底盘10的运动控制中心在导航模块坐标系下的坐标，从而能够使导航模块40检测到底盘10的运动控制中心的位置信息，进而对底盘10的动作进行准确控制，实现对整平机器人的准确导航。
需要说明的是，上述公式中，
可以通过步骤S01获得；
可以通过步骤S11获得；由于底盘10和控制装置20之间的枢转点与导航模块40的中心之间的距离为固定值，因此，在导航模块坐标系建立之后，
即可确定，
为固定值。
需要说明的是，如图2所示，本发明的实施例中，上述的步骤S07和步骤S11在执行过程中不具有先后顺序，可以根据实际需要和实际情况，先执行步骤S07后执行步骤S11；或者，先执行步骤S11后执行步骤S07。
需要说明的是，上述公式中
和
均为固定值，不是变量；这是因为，一旦整平机器人的整体结构确定，那么，底盘10的运动控制中心相对于底盘10的位置就确定了，底盘10的运动控制中心在底盘坐标系下的坐标即为确定值，相同地，底盘10与控制装置20之间的枢转点相对于导航模块40的位置也确定了，也就是说，底盘10与控制装置20之间的枢转点在导航模块坐标系下的坐标也就确定了，因此，
和
均为固定值。上述公式中的唯一变量为θ，也就是控制装置20相对于底盘10的倾角。也就是说，只要计算出控制装置20相对于底盘10的倾角，即可计算出底盘10的运动控制中心在导航模块坐标系下的坐标
该计算方式简单，且能够进行准确导航。
下面，对本发明的整平机器人的导航方法进行具体说明：
首先建立整平机器人的导航模块坐标系ts和底盘坐标系td：导航模块坐标系以导航模块中心O为原点，Xs指向整平机器人的控制装置的纵轴(控制装置的沿整平机器人100的前进方向的方向形成控制装置的纵轴)，Zs垂直于整平机器人的控制装置向下，Ys与Xs和Zs垂直构成右手坐标系；底盘坐标系以底盘和控制装置之间的铰链中心o为原点，底盘的纵轴(底盘的沿整平机器人100的前进方向的方向形成底盘的纵轴)为Xd轴，垂直底盘向下为Zd轴，Xd、Zd与Yd构成右手直角坐标系。
导航系为世界坐标(NED)系(也可选择UTM：横轴墨卡托投影系等)，其与导航模块坐标系ts的转换关系已由导航模块建立(依据导航模块的IMU传感器、GNSS天线杆臂以及控制装置位置输出杆臂等，是一般导航模块具备的算法，此处不再赘述)。铰链中心o在导航模块坐标系ts下的杆臂坐标
(即底盘10与控制装置20之间的枢转点在导航模块坐标系下的坐标)可由整平机器人的结构设计模型或测量得到，记为
底盘的运动控制中心c在底盘坐标系下的杆臂坐标(即底盘10的运动控制中心在底盘坐标系下的坐标
)记为
也可由模型或测量得到。
由于在本发明的实施例中控制装置20和底盘10通过单轴铰链连接，因此可认为导航模块坐标系与底盘坐标系之间仅存在俯仰角的相对运动，则底盘坐标系到导航模块坐标系的转换关系矩阵可记为：
其中θ为导航模块坐标系相对于底盘坐标系的俯仰角(即控制装置20相对于底盘10的倾角)。该倾角θ由加装在底盘10上的倾角检测装置检测底盘10的倾角、导航模块40检测控制装置20的倾角并对底盘10的倾角和控制装置20的倾角做差值得到，将倾角θ实时输入导航模块40进行坐标转换的解算。
根据以上底盘坐标系到导航模块坐标系的转换关系矩阵
铰链中心o在导航模块坐标系ts下的杆臂坐标
以及底盘的运动控制中心c在底盘坐标系下的杆臂坐标
可推知，底盘的运动控制中心c在导航模块坐标系下的坐标
其中，
可由下式计算：
整平机器人的导航系统根据导航方法计算的
进行输出杆臂的实时配置解算，即可实现实时输出底盘10的运动控制中心的高精度定位坐标。
整平机器人的导航方法的具体流程如图2所示。
如图2和图4所示，本发明的实施例中，步骤S01还包括获取底盘10的倾角、获取控制装置20的倾角、根据底盘10的倾角和控制装置20的倾角之间的差值，获取控制装置20相对于底盘10的倾角θ以及根据倾角θ计算转换关系矩阵的步骤。
上述设置中，控制装置20相对于底盘10的倾角θ即为控制装置20与底盘10之间的夹角，通过检测底盘10的倾角和控制装置20的倾角，之后将底盘10的倾角和控制装置20的倾角做差值，即可获得控制装置20与底盘10之间的夹角(也就是控制装置20相对于底盘10的倾角θ)，上述获得倾角θ的方法便于操作，易于实现；进一步地，由于在底盘10的运动控制中心在导航模块坐标系下的坐标的计算公式中，仅θ为变量，因此，获得θ即可通过上述公式计算得出底盘10的运动控制中心在导航模块坐标系下的坐标，从而使导航模块40检测到底盘10的运动控制中心的位置信息，以便于通过控制装置20控制底盘10的动作，实现对整平机器人的准确导航。
需要说明的是，本发明的实施例中，获取底盘10的倾角的步骤和获取控制装置20的倾角的步骤在执行过程中不具有先后顺序，可以根据实际情况和实际需要，选择先执行获取底盘10的倾角的步骤后执行获取控制装置20的倾角的步骤；或者，选择先执行获取控制装置20的倾角的步骤后执行获取底盘10的倾角的步骤。
如图5和图6所示，本发明的实施例中，整平机器人100包括底盘10、控制装置20、整平装置30和导航模块40，控制装置20与底盘10枢转连接，控制装置20相对于底盘10在竖直方向上可摆动地设置，整平装置30与控制装置20连接，导航模块40设置在控制装置20上，导航模块40用于实时获取底盘10的运动控制中心的位置信息，其中，控制装置20与导航模块40连接，控制装置20根据导航模块40检测的位置信息控制底盘10的动作。
上述设置中，整平机器人100的底盘10运动，带动设置在底盘10上的控制装置20、整平装置30以及导航模块40随底盘10一起运动，从而实现整平机器人100的运动；导航模块40将获得的底盘10的运动控制中心的位置信息传递给控制装置20，控制装置20根据上述位置信息对底盘10的动作进行准确控制，从而实现了对整平机器人100的准确导航。
相比于通过导航模块获得导航模块所在位置处的位置信息，并使控制装置根据导航模块所在位置处的位置信息控制底盘的动作的技术而言，本申请中的导航模块40获得的是底盘10的运动控制中心的位置信息，并且控制装置20根据底盘10的运动控制中心的位置信息控制的是底盘10的动作，这样可以实现控制装置20对底盘10的动作的准确控制，从而实现对整平机器人100的准确导航。
优选地，本发明的实施例中，整平机器人100还包括设置在底盘10上的倾角检测装置，倾角检测装置用于检测底盘10的倾角，导航模块40包括IMU(Inertial MeasurementUnit，惯性测量单元)传感器，IMU传感器用于检测控制装置20的倾角。
上述设置中，倾角检测装置检测底盘10的倾角，导航模块40检测控制装置20的倾角，通过获得的底盘10的倾角和控制装置20的倾角，能够得到控制装置20与底盘10之间的夹角，也就是控制装置20相对于底盘10的倾角θ，得到倾角θ就可以方便地计算出底盘10的运动控制中心在导航模块坐标系下的坐标，从而实现控制装置20对底盘10的动作的准确控制，进而实现对整平机器人100的准确导航。
优选地，如图5和图6所示，本发明的实施例中，导航模块40还包括在控制装置20上间隔设置的两个GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统)天线41，GNSS天线41用于接收IMU传感器检测的控制装置20的倾角数据。
优选地，本发明的实施例还提供了一种存储介质，存储介质存储有程序，其中，程序被运行时执行上述的整平机器人的导航方法。
上述设置中，存储介质用于存储程序，当运行该程序时，可以通过上述的整平机器人的导航方法对整平机器人100进行导航。
优选地，本发明的实施例还提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序被运行时执行上述的整平机器人的导航方法。
上述设置中，处理器用于运行程序，当运行该程序时，可以通过上述的整平机器人的导航方法对整平机器人100进行导航。
优选地，本发明的实施例还提供了一种整平机器人的导航系统，包括存储介质和处理器，存储介质用于存储程序，处理器与存储介质通信连接，处理器用于运行程序，其中，程序被运行时执行上述的整平机器人的导航方法。
上述设置中，存储介质用于存储程序，处理器用于运行程序，当运行该程序时，可以通过上述的整平机器人的导航方法对整平机器人100进行导航。
针对导航模块安装在控制装置上，而控制装置与底盘又存在相对运动，导致整平机器人的控制装置无法准确实时获取底盘的运动控制中心的位置信息，从而无法实现对整平机器人的高精度导航控制，影响泥浆整平施工作业质量和效率的问题，本发明提出了一种整平机器人，该整平机器人在底盘10上加装倾角检测装置(该倾角检测装置可以通过由三轴加速度计和三轴陀螺仪组成的六轴IMU来实现对底盘10的倾角的检测，也可通过外加三轴磁力计的九轴AHRS(Attitude and Heading Reference System，航姿参考系统)来实现对底盘10的倾角的检测)，利用控制装置20与底盘10之间的相对角度变化的检测，建立导航模块坐标系、底盘坐标系与北东地导航坐标系(NED，North East Down，N指向地球北，E指向地球东，D垂直于地球表面指向下)的三者实时坐标转换模型，实现基于坐标转换的整平机器人的实时对底盘10的运动控制中心的位置坐标的准确感知，提高整平机器人的导航控制精度，进而提高整平作业质量和效率。
如图5和图6所示，泥浆整平机器人的基本结构大体分为“上装”与“底盘10”。导航模块40安装在控制装置20上，而运动控制中心与底盘10的相对位置固定，运动控制中心位于底盘10的两主行走轮机构12的两个驱动部的中心。整平机器人处于移动状态时，固定在控制装置20的前端的整平装置30连同控制装置20一起处于抬起状态，控制装置20与底盘10之间产生俯仰角变化(因底盘10与控制装置20通过单轴铰链连接，因此底盘10与控制装置20之间仅存在一个自由度的相对角运动)；整平机器人处于整平作业状态时，整平装置30由于需要压平压实混凝土泥浆而连同控制装置20一起处于平放状态，控制装置20与底盘10之间的俯仰角基本一致，也就是说，此时，控制装置20与底盘10之间的夹角基本为零，即控制装置20相对于底盘10的倾角θ为零；当处于移动状态和整平作业状态这两种运动状态的过渡阶段时，控制装置20与底盘10之间便会产生实时变化的相对俯仰角运动(即倾角θ实时变化)。而安装在控制装置20上的导航模块40只能输出与控制装置20固定连接的位置点的坐标，无法满足整平机器人的全状态高精度导航定位的需求。
本发明提出一种整平机器人，该整平机器人100在底盘10上加装倾角检测装置以得到底盘10的俯仰角信息，再根据控制装置20上的导航模块40检测的俯仰角信息，得到控制装置20与底盘10的相对俯仰角信息(即倾角θ)。根据该相对俯仰角信息，可以计算底盘坐标系到导航模块坐标系的坐标转换关系矩阵。进而根据铰链中心(即底盘坐标系原点)在导航模块坐标系下的坐标(因底盘10与控制装置20固定连接，故铰链中心在导航模块坐标系下的坐标为固定杆臂值(杆臂值即指某点在某坐标系下相对其原点的位置偏移值，这里因为该点与该坐标系是刚性固联，所以这个位置偏移值是不变的常值，故称为固定杆臂值，下同))，以及运动控制中心在底盘坐标系下的坐标也为固定杆臂值(因运动控制中心与底盘10的相对位置固定，故运动控制中心在底盘坐标系下的坐标也为固定杆臂值)，通过上述转换关系矩阵，即可实时将运动控制中心在导航模块坐标系下的坐标(相当于一个实时变化的输出杆臂值)求出。通过这种坐标转换方法，将运动控制中心在导航模块坐标系下的坐标值(时变杆臂值：这里指运动控制中心与导航模块坐标系并不是刚性固联，而是有相对角运动的，所以依据上述杆臂值定义，它是随着两者相对运动而变化的，故称为时变杆臂值)实时输入导航模块40，导航模块40实时解算输出运动控制中心的位置坐标，为整平机器人的控制装置20提供一个稳定高精度的信息输入，从而提高整平机器人的全状态导航控制精度，提升整平作业质量和效率。
如图2所示，本发明的整平机器人的导航方法通过在底盘10上加装倾角检测装置，结合设置在控制装置20上的导航模块40，进行控制装置20与底盘10之间的相对角变化的感知，根据该相对角度(即倾角θ)表征的转换关系矩阵、铰链中心在导航模块坐标系下的坐标以及运动控制中心在底盘坐标系下的坐标，进行运动控制中心在导航模块坐标系下的坐标转换，实现在导航模块中实时解算输出运动控制中心的高精度定位信息的功能，其优点如下：
1、优化了泥浆整平机器人的导航运动控制精度，提高了整平机器人的作业质量和效率，节省了因导航定位精度低导致的人工干预成本；
2、可采用低成本(如价格在百元级别)的测姿模块作为倾角检测装置，本申请的整平机器人的导航方法可仅利用低成本的倾角检测装置和易获取(由结构模型或测量得到)的固定杆臂值(定义如前述)，通过坐标转换实现对整平机器人的导航精度的优化，硬件成本低，流程简便易实现。
本申请针对一般底盘与上装分离的泥浆整平机器人的定位精度较低的问题，提出在底盘上加装倾角检测装置，并通过建立的坐标转换模型来实现导航定位精度改进的方法。本申请的技术方案通过在底盘上加装倾角检测装置以及利用将运动控制中心的坐标从底盘坐标系转换到导航模块坐标系的坐标转换方法，能够实现对整平机器人的高精度导航。
本申请的技术方案中的整平机器人的导航方法适用于控制装置与底盘存在相对角运动的各类移动机器人的导航定位领域，具有普遍适用性。
本发明的实施例具有以下优点：
1、本申请的技术方案解决了上装与底盘存在相对角运动的建筑泥浆整平机器人难以实时准确获取运动控制中心的位置，导致施工作业过程中自动导航与控制的精度下降，从而影响整平作业的质量(泥浆平整度以及作业覆盖率等)的问题；
2、本申请的技术方案克服了整平机器人的导航控制精度不足(>5cm)，导致机体易与建筑现场管道、钢筋等预埋件发生碰撞并卡住，仍需人工频繁干预作业过程，作业效率较低的问题。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：通过上述步骤，可以实时获取底盘的运动控制中心的位置信息，从而能够根据整平装置的状态直接对底盘的动作进行准确控制，进而实现对整平机器人的准确导航。上述设置中，底盘运动，带动控制装置和整平装置随底盘一起运动，从而实现整平机器人的运动，因此，根据底盘的运动控制中心的位置信息对底盘的动作进行准确控制，使整平机器人的检测位置与控制位置重合，就可以实现对整平机器人的准确导航，从而保证整平机器人作业时的运动控制精度，提高整平作业的质量。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
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术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
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 (10)
1.一种整平机器人的导航方法，其特征在于，所述整平机器人包括：
底盘；
控制装置，与所述底盘枢转连接，所述控制装置相对于所述底盘在竖直方向上可摆动地设置；以及
整平装置，与所述控制装置连接；
所述导航方法包括：
步骤S10：实时获取所述底盘的运动控制中心的位置信息；
步骤S20：根据所述位置信息控制所述底盘的动作。
2.根据权利要求1所述的导航方法，其特征在于，所述底盘包括支撑板、设置在所述支撑板上的行走轮以及与所述行走轮连接的驱动机构，所述实时获取所述底盘的运动控制中心的位置信息的步骤S10包括：实时获取所述驱动机构的中心的位置坐标；所述根据所述位置信息控制所述底盘的动作的步骤S20包括：控制所述驱动机构动作。
3.根据权利要求1所述的导航方法，其特征在于，所述整平机器人还包括设置在所述控制装置上的导航模块，在所述步骤S10之前，所述导航方法还包括步骤S01：确定所述底盘所在的坐标系和所述导航模块所在的坐标系之间的转换关系矩阵。
4.根据权利要求3所述的导航方法，其特征在于，所述步骤S10包括步骤S12：根据所述转换关系矩阵确定所述底盘的运动控制中心在所述导航模块所在的坐标系下的位置坐标。
5.根据权利要求3所述的导航方法，其特征在于，所述步骤S01还包括：
获取所述底盘的倾角；
获取所述控制装置的倾角；
根据所述底盘的倾角和所述控制装置的倾角之间的差值，获取所述控制装置相对于所述底盘的倾角θ；
根据所述倾角θ计算所述转换关系矩阵。
6.一种整平机器人，其特征在于，所述整平机器人包括：
底盘；
控制装置，与所述底盘枢转连接，所述控制装置相对于所述底盘在竖直方向上可摆动地设置；
整平装置，与所述控制装置连接；
导航模块，设置在所述控制装置上，所述导航模块用于实时获取所述底盘的运动控制中心的位置信息，其中，所述控制装置与所述导航模块连接，所述控制装置根据所述导航模块检测的位置信息控制所述底盘的动作。
7.根据权利要求6所述的整平机器人，其特征在于，所述整平机器人还包括设置在所述底盘的支撑板上的倾角检测装置，所述倾角检测装置用于检测所述底盘的倾角；所述导航模块包括IMU传感器，所述IMU传感器用于检测所述控制装置的倾角。
8.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有程序，其中，所述程序被运行时执行权利要求1至5中任一项所述的整平机器人的导航方法。
9.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序被运行时执行权利要求1至5中任一项所述的整平机器人的导航方法。
10.一种整平机器人的导航系统，其特征在于，包括：
存储介质，用于存储程序；
处理器，与所述存储介质通信连接，用于运行所述程序，其中，所述程序被运行时执行权利要求1至5中任一项所述的整平机器人的导航方法。
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