CN112247988A - 基于激光雷达对移动机器人自主充电的方法 - Google Patents

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刘非凡
戚志东
徐胜元
单梁
田家欣
丁莉
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Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达对移动机器人自主充电的方法，首先，当检测到电池电量低时，移动机器人到达充电桩识别位置，通过激光雷达识别充电桩，识别模块由最小二乘法得到充电桩信标三角板特征点信息；其次，对接模块订阅识别模块发布的特征点信息，处理得到信标三角板角平分线上的一组带有四元数的点作为移动机器人的导航目标点；最后，移动机器人按目标点完成充电对接，若第一次无法正确对接，移动机器人后退一段距离重复以上步骤。本发明可以实现移动机器人和自主充电桩的准确对接，不需要额外设置复杂的对接引导电路，对接过程简单无需过多时间的调整，并且具有一定程度的容错能力。

Description

基于激光雷达对移动机器人自主充电的方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别是一种基于激光雷达对移动机器人自主充电的方法。
背景技术
随着智能制造的兴起，全自主移动机器人在工业自动化、物流仓储、楼宇配送等领域得到到越来越广泛的应用。在智能化、信息化、数字化趋势愈发凸显的今天，实现移动机器人长期自主运行是未来的趋势。若要实现移动机器人长期自治，迫切需要解决的就是移动机器人安全、高效、稳定自主充电问题。
目前，移动机器人采用可充电蓄电池为自身供电，由于电池技术的瓶颈，移动机器人运行时间一般比较短，在移动机器人电池电量低时需要自主寻找充电桩并对接充电桩完成充电。现有的自主充电对接技术普遍采用红外传感器实现对接过程，但是这种方式需要多次调节移动机器人的方向才能对接，并且红外信号很容易受到外界的干扰，导致移动机器人错误判断充电桩的位置。
综上所述，自主充电成为移动机器人实现长期自治的关键问题，然而目前移动机器人自主充电技术存在很多缺点，如基于红外的自主充电方法精度不高、抗干扰性差、容错能力弱等，这些移动机器人自主充电关键问题急需解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光雷达的自主充电对接方法，旨在解决现有技术存在的问题，提高自主充电的准确性、抗干扰性和容错能力。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于激光雷达对机器人的自主充方法，包括以下步骤：
步骤一、移动机器人到达充电桩识别点，通过激光雷达扫描充电桩信标三角板获得充电桩的一组特征点信息，转入步骤二；
步骤二、识别模块订阅激光雷达发出的scan消息，获得包括充电桩信标三角板特征点的点云信息，通过最小二乘法拟合直线，获取充电桩具体位置信息，将充电桩信标三角板的位置信息以Topic形式发布，转入步骤三；
步骤三、自动对接模块订阅充电桩的位置信息，处理得到充电桩信标三角板角平分线上的一组坐标点，这组坐标点基于激光雷达坐标系，并带有欧拉角表示方向，转入步骤四；
步骤四、将基于激光雷达坐标系的坐标点通过TF转换至地图坐标系，并把欧拉角转换成四元数，转入步骤五；
步骤五、将坐标点和四元数发送至move_base_simple/goal，移动机器人沿信标三角板角平分线方向逐点驶向充电桩，最后完成对接，转入步骤六；
步骤六、根据移动机器人的触发开关判断是否对接，若没有完成对接，返回步骤一,直至完成对接。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明不需要额外设置复杂的对接引导电路，简化了自主充电对接装置；(2)本发明具有抗红外干扰能力(3)本发明不需要过多的充电对接调整过程，能够实现快速的自主充电对接；(4)本发明对接准确度高，并且具有一定的容错能力。
附图说明
图1是本发明基于激光雷达的自主充电对接方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细论述。
结合图1，本发明公开了一种基于激光雷达对移动机器人自主充电的方法，首先，当检测到电池电量低时，移动机器人根据路径规划算法搜索一条可行路径，最终到达充电桩识别位置，激光雷达扫描充电桩信标三角板，启动识别程序识别充电桩信标三角板，识别程序由最小二乘法得到充电桩信标三角板特征点信息，并以Topic的形式发布；其次，自动对接模块订阅识别程序发出的Topic获取充电桩信标三角板特征点信息，处理信标三角板位置信息，输出信标三角板角平分线上的一组带有四元数的点作为移动机器人的导航目标点；最后，移动机器人按目标点完成充电对接，若第一次无法正确对接，移动机器人后退一段距离重复以上步骤。本发明可以实现移动机器人和自主充电桩的准确对接，不需要额外设置复杂的对接引导电路，对接过程简单无需过多时间的调整，并且具有一定程度的容错能力。具体步骤如下：
步骤一、移动机器人到达充电桩识别点，通过激光雷达扫描充电桩信标三角板获得充电桩的一组特征点信息，转入步骤二；
步骤二，识别模块订阅激光雷达发出的scan消息，获得包括充电桩信标三角板特征点的点云信息，通过最小二乘法拟合直线，获取到充电桩具体位置信息，将充电桩信标三角板的位置信息以Topic形式发布，转入步骤三；
进一步地，识别模块通过最小二乘法拟合直线，在line_segments节点以Topic形式发布直线信息，消息类型为自定义LineSegment类型，其中包含直线的起点坐标，终点坐标和直线角度。
步骤三、自动对接模块订阅充电桩的位置信息，处理得到充电桩信标三角板角平分线上的一组坐标点，这组坐标点基于激光雷达坐标系，并带有欧拉角表示方向，转入步骤四；
进一步地，自动对接模块订阅line_segments节点发布的消息，处理得到代表信标三角板的两条直线，求出信标三角形的角平分线并在角平分线上选取一组点，并根据直线处理得到点方向信息，方向信息用欧拉角表示，处理欧拉角得到四元数。
步骤四、将基于激光雷达坐标系的坐标点通过TF转换至地图坐标系，并把欧拉角转换成四元数，转入步骤五；
进一步地，通过tf.TransformListener类中的waitForTransForm方法阻塞直到map frame和laser frame相通。
进一步的，通过tf.TransformListener类中的transformPoint(target_frame,point_msg)方法将雷达坐标系中的点转换到地图坐标系中。point_msg为PointStamped类型，PointStamped类型包含header和point两个类型的数据，其中header中包含时间戳和源坐标系的名字，point数据为点在源坐标系下的位置。
其中四元数的值由以下公式求出：
Figure BDA0002709942760000031
其中
Figure BDA0002709942760000032
为物体绕z轴的旋转角度，θ为物体绕y轴的旋转角度，ψ为物体绕z轴的旋转角度。
步骤五、将坐标点和四元数发送至move_base_simple/goal，移动机器人沿信标三角板角平分线方向逐点驶向充电桩，最后完成对接，转入步骤六；
步骤六、根据移动机器人的触发开关判断是否对接，若没有完成对接，返回步骤一，直至完成对接。
实施例1
为了验证本发明的有效性，首先在某工厂车间建立的地图。在工厂中设置了自主充电桩，为了模拟自主充电过程，在起始点给出电池电量低的信号，移动机器人启动自主充电流程。移动机器人首先到达充电桩识别位置，移动机器人准确识别充电桩位置并缓慢对接，最终准确完成对接。为测试抗干扰能力，在移动机器人附近发射红外信号干扰对接流程，移动机器人仍能准确完成对接。为测试对接流程的容错能力，人为挪动充电桩位置，移动机器人重复充电流程后准确完成对接。
本发明可以实现移动机器人和自主充电桩的准确对接，不受红外信号的干扰，不需要额外设置复杂的对接引导电路，对接过程简单无需过多时间的调整，并且具有一定程度的容错能力。

Claims (7)

1.一种基于激光雷达对机器人自主充电的方法，包括以下步骤：
步骤一、移动机器人到达充电桩识别点，通过激光雷达扫描充电桩信标三角板获得充电桩的一组特征点信息，转入步骤二；
步骤二、识别模块订阅激光雷达发出的scan消息，获得包括充电桩信标三角板特征点的点云信息，通过最小二乘法拟合直线，获取充电桩具体位置信息，将充电桩信标三角板的位置信息以Topic形式发布，转入步骤三；
步骤三、自动对接模块订阅充电桩的位置信息，处理得到充电桩信标三角板角平分线上的一组坐标点，这组坐标点基于激光雷达坐标系，并带有欧拉角表示方向，转入步骤四；
步骤四、将基于激光雷达坐标系的坐标点通过TF转换至地图坐标系，并把欧拉角转换成四元数，转入步骤五；
步骤五、将坐标点和四元数发送至move_base_simple/goal，移动机器人沿信标三角板角平分线方向逐点驶向充电桩，最后完成对接，转入步骤六；
步骤六、根据移动机器人的触发开关判断是否对接，若没有完成对接，返回步骤一，直至完成对接。
2.根据权利要求1所述的基于激光雷达对移动机器人自主充电的方法，其特征在于：步骤二中识别程序通过最小二乘法拟合直线，在line_segments节点以Topic形式发布直线信息，消息类型为自定义LineSegment类型，其中包含直线的起点坐标，终点坐标和直线角度。
3.根据权利要求1所述的基于激光雷达对移动机器人自主充电的方法，其特征在于：步骤三中自动对接程序订阅line_segments节点发布的消息，处理得到代表信标三角板的两条直线，求出信标三角形的角平分线并在角平分线上选取一组点，并根据直线处理得到点方向信息，方向信息用欧拉角表示，处理欧拉角得到四元数信息。
4.根据权利要求1所述的基于激光雷达对移动机器人自主充电的方法，其特征在于：步骤四中通过tf.TransformListener类中的waitForTransForm方法阻塞直到map frame和laser fame相通。
5.根据权利要求1所述的基于激光雷达对移动机器人自主充电的方法，其特征在于：步骤四中通过tf.TransformListener类中的transformPoint(target_frame,point_msg)方法将雷达坐标系中的点转换到地图坐标系中。
6.根据权利要求5所述的基于激光雷达对移动机器人自主充电的方法，其特征在于：步骤四中point_msg为PointStamped类型，PointStamped类型包含header和point两个类型的数据，其中header中包含时间戳和源坐标系的名字，point数据为点在源坐标系下的位置。
7.根据权利要求1所述的基于激光雷达对移动机器人自主充电的方法，其特征在于：步骤四中，四元数的值由以下公式求出：
Figure FDA0002709942750000021
在地图坐标系中，
Figure FDA0002709942750000022
为物体绕z轴的旋转角度，θ为物体绕y轴的旋转角度，ψ为物体绕z轴的旋转角度。
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