CN112327884A - 一种基于slam自主导航智能物流机器人 - Google Patents
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Abstract
一种基于SLAM自主导航智能物流机器人，本发明机器人利用车载捷联惯导系统、GPS、超声波传感器与红外传感器来感知自身周围环境，根据传感器获得的自身位置、道路以及障碍物等信息，控制机器人识别道路，有效地避开障碍物，从而能够安全、稳定地在户外作业，用户通过手机利用GSM移动通信网络与机器人进行通信，机器人系统中的GSM无线通信模块接收到用户的指令后，发送给微控制器，来控制智能机器人运行，以实现智能机器人的远程控制，把手机作为机器人控制端，方便用户随时随地使用自主物流移动机器人，足不出户即可实现。
Description
技术领域
本发明涉及物流机器人，具体为一种基于SLAM自主导航智能物流机器人。
背景技术
目前，智能机器人在物流的仓储与分拣环节已经崭露头角，在部分物流企业获得了应用，正在向运输配送环节逐步转移。智能移动机器人具有智能选择路径，自主定位导航，智能避障，智能调速，位姿、速度实时上传等功能。智能移动机器人应用于自主物流系统中的末端配送，可以提高现代物流的效率，防止交通意外和交通堵塞的发生，使人们更有效地利用时间、改善生活条件。机器人采用电池驱动，用电量很低，可实现“绿色物流”。
现有的自主导航智能物流机器人工作在户外，工作环境部分信息是未知的，具有不确定性，无法较好的进行导航，SINS抗干扰能力强，但误差容易积累；GPS导航精度高，但信号易丢失。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种基于SLAM自主导航智能物流机器人，有效的解决了现有的自主导航智能物流机器人工作在户外，工作环境部分信息是未知的，具有不确定性，无法较好的进行导航，SINS抗干扰能力强，但误差容易积累；GPS导航精度高，但信号易丢失的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明包括运动控制模块、定位导航模块、避障模块、GSM无线通信模块和电源模块，所述运动控制模块：主要由主控制器、电机、电机控制器、编码器等构成，主控制器作为下位机硬件系统的核心，用于协调各模块分工合作，数据信息读取和发送，与手机控制端、上位机的通信等工作，此外，该模块控制着机器人移动功能，保证其能够可靠、稳定地运行；
定位导航模块：由捷联惯导系统与GPS组成，捷联惯导系统具有定位误差容易积累的问题，加入GPS导航信息后，捷联惯导系统数据得到了实时校正，所以消除了误差积累问题，GPS在动态环境中可靠性差，信号容易被较高建筑物遮挡，而捷联惯导系统不依赖外部信息、不受外界环境的影响，恰好弥补了GPS的缺点，二者的结合，则保证了系统的动态稳定性，又获得了较高的导航精度；
避障模块：由超声波传感器和红外传感器组成，由于超声波传感器探测范围一般在30~300cm之间，能够测量出较远距离障碍物的距离，不能准确的测出较近距离障碍物的距离信息，具有探测盲区；而红外传感器可探测距离为几十厘米以内，适用于检测近距离信息，弥补超声波传感器的不足，因此，红外传感器负责近距离障碍物的检测，超声传感器则负责较远距离障碍物的检测，将二者结合起来，实现对机器人周围环境中障碍信息地全面检测；
GSM无线通信模块：GSM模块作为用户与自主物流移动机器人系统中运动控制模块的信息交流的桥梁，用户通过手机短信与主控制器通信，GSM模块需要完成获取、发送手机短信，将获取到的信息传送给主控制模块，GSM系统具有网络容量大，比较稳定，设备功耗比较低的优点；
电源模块：电源模块由12V锂电池和转换电路组成，电源转换电路的任务是对电池电压进行分配和调节，给机器人系统不同硬件模块的正常工作提供稳定的电压，不同模块需要的工作电压和电流也不同，USB接口需要5V的直流电压，处理器端口、存储器端口以及串口模块接口需要3.3V的电压支持，因此电源转换电路应包括多个稳压电路。
根据上述技术方案：所述主控制器选用ARM STM32F103C8T6微处理器，负责整个系统控制与协调，微处理器使用高性能的Cortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器和丰富的增强I/O端口，芯片不仅集成了丰富的硬件资源，能够简化外围设备与微处理器的硬件连接程度；还可以外扩GPS模块、GSM模块等多个控制子模块对相应的设备进行通信与控制。
根据上述技术方案：所述避障模块中：超声波传感器与红外传感器均由微处理器的I/O口控制，超声波传感器主要由发生器、接收器和控制部分组成，发生器接收到微处理器发出的脉冲信号后，发射出超声波，声波遇到障碍物后反射回接收器；接收器接收返回的超声波并将其转换为电信号，发送给微控制器，控制部分负责控制发生器超声波的发射和判断接收器是否接收到反射回的超声波，发射端发射超声波到接收端接收到超声波所用的时间乘以声速即可以计算出机器人与障碍物的距离，如果时间太短，控制部分不能辨识出发射波和接收波，则超声波传感器不能完成检测工作，红外传感器具有灵敏度高，光谱响应宽等优点，尤其是对近距离亮度比较敏感，红外传感器无法判断障碍物的距离，所以更适用于近距离探测，弥补超声波传感器的探测盲区。
根据上述技术方案：所述GSM无线通信模块中短信息服务是一种GSM终端之间实现信息的存储、接收和发送的应用服务，SMS不用建立拨号连接，只要把短消息加上目的地地址即可发送，而且不会丢失，利用SMS的这种特性，可以方便地实现远程控制电气设备。
根据上述技术方案：所述GSM无线通信模块通过UART串口与STM32F103微处理器完成数据通信。
有益效果：本发明机器人利用车载捷联惯导系统、GPS、超声波传感器与红外传感器来感知自身周围环境，根据传感器获得的自身位置、道路以及障碍物等信息，控制机器人识别道路，有效地避开障碍物，从而能够安全、稳定地在户外作业，用户通过手机利用GSM移动通信网络与机器人进行通信，机器人系统中的GSM无线通信模块接收到用户的指令后，发送给微控制器，来控制智能机器人运行，以实现智能机器人的远程控制，把手机作为机器人控制端，方便用户随时随地使用自主物流移动机器人，足不出户即可实现。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
实施例，本发明提供一种基于SLAM自主导航智能物流机器人，包括运动控制模块、定位导航模块、避障模块、GSM无线通信模块和电源模块，所述运动控制模块：主要由主控制器、电机、电机控制器、编码器等构成，主控制器作为下位机硬件系统的核心，用于协调各模块分工合作，数据信息读取和发送，与手机控制端、上位机的通信等工作，此外，该模块控制着机器人移动功能，保证其能够可靠、稳定地运行；
定位导航模块：由捷联惯导系统与GPS组成，捷联惯导系统具有定位误差容易积累的问题，加入GPS导航信息后，捷联惯导系统数据得到了实时校正，所以消除了误差积累问题，GPS在动态环境中可靠性差，信号容易被较高建筑物遮挡，而捷联惯导系统不依赖外部信息、不受外界环境的影响，恰好弥补了GPS的缺点，二者的结合，则保证了系统的动态稳定性，又获得了较高的导航精度；
避障模块：由超声波传感器和红外传感器组成，由于超声波传感器探测范围一般在30~300cm之间，能够测量出较远距离障碍物的距离，不能准确的测出较近距离障碍物的距离信息，具有探测盲区；而红外传感器可探测距离为几十厘米以内，适用于检测近距离信息，弥补超声波传感器的不足，因此，红外传感器负责近距离障碍物的检测，超声传感器则负责较远距离障碍物的检测，将二者结合起来，实现对机器人周围环境中障碍信息地全面检测；
GSM无线通信模块：GSM模块作为用户与自主物流移动机器人系统中运动控制模块的信息交流的桥梁，用户通过手机短信与主控制器通信，GSM模块需要完成获取、发送手机短信，将获取到的信息传送给主控制模块，GSM系统具有网络容量大，比较稳定，设备功耗比较低的优点；
电源模块：电源模块由12V锂电池和转换电路组成，电源转换电路的任务是对电池电压进行分配和调节，给机器人系统不同硬件模块的正常工作提供稳定的电压，不同模块需要的工作电压和电流也不同，USB接口需要5V的直流电压，处理器端口、存储器端口以及串口模块接口需要3.3V的电压支持，因此电源转换电路应包括多个稳压电路。
所述主控制器选用ARM STM32F103C8T6微处理器，负责整个系统控制与协调，微处理器使用高性能的Cortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器和丰富的增强I/O端口，芯片不仅集成了丰富的硬件资源，能够简化外围设备与微处理器的硬件连接程度；还可以外扩GPS模块、GSM模块等多个控制子模块对相应的设备进行通信与控制。
所述避障模块中：超声波传感器与红外传感器均由微处理器的I/O口控制，超声波传感器主要由发生器、接收器和控制部分组成，发生器接收到微处理器发出的脉冲信号后，发射出超声波，声波遇到障碍物后反射回接收器；接收器接收返回的超声波并将其转换为电信号，发送给微控制器，控制部分负责控制发生器超声波的发射和判断接收器是否接收到反射回的超声波，发射端发射超声波到接收端接收到超声波所用的时间乘以声速即可以计算出机器人与障碍物的距离，如果时间太短，控制部分不能辨识出发射波和接收波，则超声波传感器不能完成检测工作，红外传感器具有灵敏度高，光谱响应宽等优点，尤其是对近距离亮度比较敏感，红外传感器无法判断障碍物的距离，所以更适用于近距离探测，弥补超声波传感器的探测盲区。
所述GSM无线通信模块中短信息服务是一种GSM终端之间实现信息的存储、接收和发送的应用服务，SMS不用建立拨号连接，只要把短消息加上目的地地址即可发送，而且不会丢失，利用SMS的这种特性，可以方便地实现远程控制电气设备。
所述GSM无线通信模块通过UART串口与STM32F103微处理器完成数据通信。
有益效果：本发明机器人利用车载捷联惯导系统、GPS、超声波传感器与红外传感器来感知自身周围环境，根据传感器获得的自身位置、道路以及障碍物等信息，控制机器人识别道路，有效地避开障碍物，从而能够安全、稳定地在户外作业，用户通过手机利用GSM移动通信网络与机器人进行通信，机器人系统中的GSM无线通信模块接收到用户的指令后，发送给微控制器，来控制智能机器人运行，以实现智能机器人的远程控制，把手机作为机器人控制端，方便用户随时随地使用自主物流移动机器人，足不出户即可实现。
最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (5)
1.一种基于SLAM自主导航智能物流机器人，包括运动控制模块、定位导航模块、避障模块、GSM无线通信模块和电源模块，其特征在于：所述运动控制模块：主要由主控制器、电机、电机控制器、编码器等构成，主控制器作为下位机硬件系统的核心，用于协调各模块分工合作，数据信息读取和发送，与手机控制端、上位机的通信等工作，此外，该模块控制着机器人移动功能，保证其能够可靠、稳定地运行；
定位导航模块：由捷联惯导系统与GPS组成，捷联惯导系统具有定位误差容易积累的问题，加入GPS导航信息后，捷联惯导系统数据得到了实时校正，所以消除了误差积累问题，GPS在动态环境中可靠性差，信号容易被较高建筑物遮挡，而捷联惯导系统不依赖外部信息、不受外界环境的影响，恰好弥补了GPS的缺点，二者的结合，则保证了系统的动态稳定性，又获得了较高的导航精度；
避障模块：由超声波传感器和红外传感器组成，由于超声波传感器探测范围一般在30~300cm之间，能够测量出较远距离障碍物的距离，不能准确的测出较近距离障碍物的距离信息，具有探测盲区；而红外传感器可探测距离为几十厘米以内，适用于检测近距离信息，弥补超声波传感器的不足，因此，红外传感器负责近距离障碍物的检测，超声传感器则负责较远距离障碍物的检测，将二者结合起来，实现对机器人周围环境中障碍信息地全面检测；
GSM无线通信模块：GSM模块作为用户与自主物流移动机器人系统中运动控制模块的信息交流的桥梁，用户通过手机短信与主控制器通信，GSM模块需要完成获取、发送手机短信，将获取到的信息传送给主控制模块，GSM系统具有网络容量大，比较稳定，设备功耗比较低的优点；
电源模块：电源模块由12V锂电池和转换电路组成，电源转换电路的任务是对电池电压进行分配和调节，给机器人系统不同硬件模块的正常工作提供稳定的电压，不同模块需要的工作电压和电流也不同，USB接口需要5V的直流电压，处理器端口、存储器端口以及串口模块接口需要3.3V的电压支持，因此电源转换电路应包括多个稳压电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于SLAM自主导航智能物流机器人，其特征在于，所述主控制器选用ARM STM32F103C8T6微处理器，负责整个系统控制与协调，微处理器使用高性能的Cortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器和丰富的增强I/O端口，芯片不仅集成了丰富的硬件资源，能够简化外围设备与微处理器的硬件连接程度；还可以外扩GPS模块、GSM模块等多个控制子模块对相应的设备进行通信与控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于SLAM自主导航智能物流机器人，其特征在于，所述避障模块中：超声波传感器与红外传感器均由微处理器的I/O口控制，超声波传感器主要由发生器、接收器和控制部分组成，发生器接收到微处理器发出的脉冲信号后，发射出超声波，声波遇到障碍物后反射回接收器；接收器接收返回的超声波并将其转换为电信号，发送给微控制器，控制部分负责控制发生器超声波的发射和判断接收器是否接收到反射回的超声波，发射端发射超声波到接收端接收到超声波所用的时间乘以声速即可以计算出机器人与障碍物的距离，如果时间太短，控制部分不能辨识出发射波和接收波，则超声波传感器不能完成检测工作，红外传感器具有灵敏度高，光谱响应宽等优点，尤其是对近距离亮度比较敏感，红外传感器无法判断障碍物的距离，所以更适用于近距离探测，弥补超声波传感器的探测盲区。
4.根据权利要求1所述的一种基于SLAM自主导航智能物流机器人，其特征在于，所述GSM无线通信模块中短信息服务是一种GSM终端之间实现信息的存储、接收和发送的应用服务，SMS不用建立拨号连接，只要把短消息加上目的地地址即可发送，而且不会丢失，利用SMS的这种特性，可以方便地实现远程控制电气设备。
5.根据权利要求1所述的一种基于SLAM自主导航智能物流机器人，其特征在于，所述GSM无线通信模块通过UART串口与STM32F103微处理器完成数据通信。
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