CN112631307A - 一种轨道式巡检机器人的多传感器辅助定位模块及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道式巡检机器人的多传感器辅助定位模块及方法，包括设于机器人本体中的传感器模块、定位解算模块和电源模块，还包括设于管廊中的定位标识模块，通过控制中心控制机器人本体在管廊轨道中行进，多个传感器识别管廊轨道中的字符铭牌、轨道贴片，将获取的信息传递至定位解算模块；定位解算模块将传感器模块获取的信息进行解算，并传递至控制中心，控制中心确定机器人本体在管廊中的位置。本发明能够实现轨道式巡检机器人的复合定位，提高了系统的容错能力和可靠性。

Description

一种轨道式巡检机器人的多传感器辅助定位模块及方法

技术领域

本发明属于导航定位技术领域，涉及一种使用磁传感器模块、视觉扫码传感器模块、视觉字符定位进行融合定位导航的方法。

背景技术

在我国管廊巡检机器人运行过程中，机器人的精确定位始终是核心内容之一，优秀的定位方案可以有效提高巡检效率和精度。

常规的轨道机器人巡检，主要靠里程计进行相对位置定位，由于里程计会产生累计误差，还需靠外部辅助无线标签进行绝对位置校准。常见的校准方式有UWB无线定位方式和RFID标签定位方式，其中UWB定位精度0.1m左右，需要管廊内的无线基站具备UWB定位功能，RFID无源标签定位精度较高，可达0.02m，但需要每隔一段轨道布置一个RFID标签，还需要专门的读卡设备。

单一的定位方式所存在的问题是，当该定位传感器模块(如读卡设备)失效时，整个定位系统便不能正常工作，缺乏系统冗余的措施。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于管廊内轨道式巡检机器人的融合定位导航方法。采用磁传感器模块、视觉扫码传感器模块、视觉字符定位中的一种或几种组合来实现复合定位，定位系统具有一定的容错导航能力。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种轨道式巡检机器人的多传感器辅助定位模块，包括：定位标识模块，包括字符铭牌和轨道贴片，字符铭牌垂直安装在管廊顶部，用于传感器模块识别定位；轨道贴片，包括定位码和磁片，用于传感器模块识别定位码和磁片；传感器模块，通过多个传感器识别管廊轨道中的字符铭牌和轨道贴片，将获取的信息传递至定位解算模块；

定位解算模块，用于将传感器模块获取的信息进行解算，并传递至控制中心，控制中心确定机器人本体在管廊中的位置；

传感器模块、定位解算模块设于机器人本体中，通过控制中心控制机器人本体在管廊轨道中行进，通过传感器模块获取定位标识模块信息，通过定位解算模块解算，控制中心确定机器人本体在管廊中的位置。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

优选的，所述机器人本体上设有行走轮、传感器模块、电源模块、定位解算模块、二维转台和光电载荷；传感器模块包括里程计、视觉扫码传感器、磁传感器和光电载荷内设的视觉字符定位传感器；里程计设在行走轮上，行走轮挂在管廊轨道上；视觉扫码传感器和磁传感器设在两个行走轮之间的检测板上；光电载荷安装在二维转台上。

优选的，所述磁传感器包括一个霍尔传感器，磁片安装在管廊轨道上，并提前在管廊轨道上进行位置标定；霍尔传感器感应管廊轨道上的磁片。

优选的，所述视觉扫码传感器为安装在机器人本体上的扫码相机，扫码相机扫描安装在轨道上的定位码，定位码为一位码或者二维码。

优选的，所述字符铭牌包括粗定位字符和精定位标识；所述视觉字符定位传感器为安装在二维转台上的可见光相机，对出现在视场中的字符铭牌上的粗定位字符进行粗定位，或者对字符铭牌上的粗定位字符和精定位标识进行粗精复合定位。

优选的，所述定位解算模块包括DSP核心电路、存储器和RS232串口，磁传感器通过DSP核心电路的GPIO口与DSP核心电路连接；视觉扫码传感器通过RS232串口与DSP核心电路连接，视觉字符定位传感器通过扩展串口连接DSP核心电路，DSP核心电路通过串口连接外电路。

本发明进而提供了一种轨道式巡检机器人的多传感器辅助定位方法，包括转台相机视觉粗定位+定位码精定位+磁片位置校准：

a)启动：二维转台的光电载荷指向前方，机器人本体根据里程计累计的相对启动位置计算出行走里程；

b)粗定位：当二维转台光电载荷视场内出现字符铭牌标识，机器人本体根据字符铭牌判断所在管廊的大致位置，开始减速，以减小高速运行造成的视觉扫码传感器成像模糊；

c)精定位：视觉扫码传感器的扫码相机在管廊附近区域扫描到管廊轨道上的定位码，根据定位码中的信息确定自身所处管廊的绝对位置；

d)持续位置递推：后续机器人本体在此绝对位置的基础上，根据里程计累计的里程进行准确的绝对位置定位；

e)位置校准：对里程计定位可能出现累计误差，根据在管廊轨道上标定了磁片位置信息来消除机器人本体里程计累计误差。

优选的，包括转台相机视觉粗定位+转台相机视觉精定位+磁片位置校准：

在粗精复合定位过程中，若扫码相机失效，则在粗定位基础上，则采用机器人本体缓慢移动到管廊轨道不同位置，二维转台上的可见光相机继续精确识别标识牌的方式，基于P4P原理进行精定位；此过程机器人本体在轨道上不同位置停止一定时间。

优选的，基于P4P原理进行精定位，机器人本体在管廊中精确的绝对位置坐标通过以下方式得到：

字符铭牌坐标系为oxyz，转台上的可见光相机坐标系为o₁x₁y₁z₁，机器人本体坐标系为o₂x₂y₂z₂，则得到关于构成投影矩阵M的各元素m_i的线性齐次方程组：

式中，(X,Y,Z)为字符铭牌坐标系坐标，i＝0,1,3,4,5,7,8,9,11；

投影矩阵M表示如下：

定义z轴为垂直的字符铭牌方向，

为转台上的可见光相机的图像坐标，m₁₁为转台上的可见光相机坐标系相对于字符铭牌坐标系Z轴上的平移量；令a_i＝m_i/m₁₁，则关于a_i的线性方程组，表示如下：

通过求解线性方程组，可以得到可见光相机坐标系相对于字符铭牌坐标系的精确坐标，进而获得机器人本体在管廊中的精确位置信息。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

本发明无需额外基站和无线设备，只需要在轨道上进行设置相应的标识物，如打孔、磁铁、位置字符等，配合相应的传感器及解算单元即可实现高精度定位。

采用了转台上的可见光相机视觉粗定位+定位码精定位+磁片位置校准的组合定位方式，较单一的无线定位方式，可提高定位精度，并能够在其中某一传感器失效情况下，定位系统仍能正常工作，提高了系统的容错能力和可靠性。

采用了转台上的可见光相机视觉粗定位+转台上的可见光相机视觉精定位+磁片位置校准的方式。该方式较传统RFID标签定位需要标签和读卡器的方式，能通过机器人自带的转台可见光相机和定位字符同时实现粗精定位，充分利用了机器人自身视觉相机的功能兼容定位，节省了系统空间和成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为多传感器模块辅助定位模块组成层级图；

图2为管廊巡检机器人多传感器模块辅助定位模块主要硬件构成；

图3为磁传感器模块工作原理；

图4为视觉扫码传感器模块工作原理；

图5为多传感器模块辅助定位模块各部分之间连接框图；

图6为粗精复合定位设备及标识相对位置关系示意图；

图7为粗精复合定位流程图；

图8为由转台相机实现精定位示意图。

图中：1、管廊轨道；2、磁传感器；3、视觉扫码传感器；4、行走轮；5、电源模块；6、二维转台；7、光电载荷；8、辅助定位解算模块；9、字符铭牌；10、里程计。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明轨道式巡检机器人的多传感器辅助定位模块，包括：定位标识模块，包括字符铭牌和轨道贴片，字符铭牌垂直安装在管廊顶部，用于传感器模块识别定位。轨道贴片包括定位码和磁片，用于传感器模块识别定位码和磁片。

传感器模块，传感器模块的多个传感器，包括磁传感器、视觉扫码传感器、视觉字符定位传感器和里程计，通过多个传感器识别管廊轨道中的字符铭牌、轨道贴片，将获取的信息传递至定位解算模块。

定位解算模块，包括DSP核心电路、存储器和通信电路，用于将传感器模块获取的信息进行解算，并传递至控制中心，控制中心确定机器人本体在管廊中的位置。

电源模块，用于为多传感器模块辅助定位模块系统供电。

传感器模块、定位解算模块设于机器人本体中，通过控制中心控制机器人本体在管廊轨道中行进，通过传感器模块获取定位标识模块信息，通过定位解算模块解算，控制中心确定机器人本体在管廊中的位置。

如图2所示，本发明的多传感器模块辅助定位模块作为管廊巡检机器人的组成部分，安装于机器人本体上，机器人本体上设有行走轮4，传感器模块、电源模块5和辅助定位解算模块8、二维转台6和光电载荷7；传感器模块中里程计10设在行走轮4上，行走轮4挂在管廊轨道1上；视觉扫码传感器3和磁传感器2设在两个行走轮之间的检测板上；光电载荷7安装在二维转台6上，光电载荷7上包括可见光相机。

电源模块主要为设备提供电源供电。

以下分别对传感器模块各个传感器模块进行分别描述。

如图3所示，磁传感器包括一个霍尔传感器，磁片安装在轨道上，并提前进行位置标定，机器人运行时，霍尔传感器模块每经过一个磁片位置，会输出一个脉冲信号，脉冲信号被传递给DSP的CAP捕捉端，DSP会结合里程计信息计算两个脉冲信号(对应轨道上两个磁片)之间的距离，并将一些列的距离信息存入数据库中。

如图4所示，视觉扫码传感器为安装在机器人本体上的扫码相机。在轨道上安装有定位码，定位码为一位码或者二维码，定位码中含有其所处管廊的绝对位置信息。扫码相机扫描到定位码后，可解析出对应绝对位置信息。

视觉字符定位传感器为安装在二维转台上的可见光相机，正常巡检情况下，可见光相机对机器人本体前方场景成像，成像相机带一定的图像处理能力，当定位字符出现在视场中时可进行粗定位。

里程计安装于机器人本体行走轮上，里程计会随着轮子旋转输出相应的脉冲，用于在没有探测到位置标识的情况下采用里程计累计计数的方式来获得巡检机器人行使的里程，在探测到绝对位置标识后，再结合里程计信息可获得巡检机器人在管廊内的位置信息。

定位解算模块包括DSP核心电路、存储器和RS232串口，用于对传感器模块数据进行解算，数据融合。解算后的导航数据通过RS232口送给外部终端，外部终端内部存储有管廊地图，可配合导航数据显示巡检机器人在管廊内的位置，再通过串口传递给DSP。

如图5所示，为多传感器模块辅助定位模块各部分之间连接关系。

电源模块为传感器模块和辅助定位解算模块供电。

磁传感器信号通过DSP的GPIO口与定位解释模块的DSP核连接，当巡检机器人通过轨道上的磁片时，磁传感器输出的脉冲被DSP接收，产生相应的GPIO口中断，由于磁片(对应磁传感器)在轨道上的位置提前进行了标定，因此，可以根据存储的标定位置和中断信号对里程计产生的里程进行校正。

视觉扫码传感器通过RS232串口和DSP连接，当该视觉扫码传感器扫描到定位码，解析出定位码的绝对位置坐标后，通过串口将该坐标传递给DSP，DSP使用该信息进行绝对位置校正。

视觉字符定位传感器通过RS232串口和DSP连接，当该视觉字符定位传感器扫描到定位字符，进行粗定位，将粗定位信息传递给DSP进行精定位的相关控制操作。

里程计产生的脉冲通过DSP的CAP捕捉口和DSP连接，在没有外部信息校正的情况下，DSP接收该脉冲，进行累计，再根据行走轮半径可计算出巡检机器人行走的里程数。

下面通过本发明方法来说明本发明的效果。

多传感器模块融合定位：

磁定位方式的原始信号为脉冲信号，只能确定相对位置，不含绝对位置信息，而定位码中(不管是一维还是二维)，含有绝对位置坐标信息，视觉定位传感器识别字符的方式也可以确定绝对位置。因此，采用粗精复合定位的方式。其示意图如图6所示。可采用两种方式进行粗精定位：一种方式是转台相机视觉粗定位+定位码精定位+磁片位置校准；另一种方式是转台相机视觉粗定位+转台相机视觉精定位+磁片位置校准。

在机器人快速连续巡检运动情况下，采用以下粗精复合定位方式：

粗精复合定位方式一：

在字符铭牌所处位置附近管廊轨道上设置磁片和定位码，并提前对这些标识物位置进行标定。在巡检机器人本体常规巡检情况下，巡检速度≥1m/s，由于视觉扫码识别方式容易产生运动模糊，而磁传感器由于是相对定位，不能直接获取绝对位置信息。因此，巡检机器人本体首先对正前方悬挂于管廊墙壁顶部的字符铭牌进行识别，为粗定位过程。

具体定位流程如图7所示，按步骤描述如下：

a)启动：机器人本体启动，二维转台的光电载荷指向前方，机器人本体开始巡检，此时，里程计累计的位置为相对位置，机器人本体只能计算出相对启动位置行走了多少里程。

b)粗定位：当二维转台光电载荷视场内出现字符铭牌标识，机器人本体根据字符铭牌判断所在管廊的大致位置，机器人本体开始减速，以减小高速运行造成的视觉扫码传感器成像模糊。

c)精定位：由于定位码布置在字符铭牌附近轨道，因此，粗定位后，视觉扫码传感器将在附近区域扫描到定位码，并可根据定位码中的信息确定自身所处管廊的绝对位置。

d)持续位置递推：后续机器人本体在此绝对位置的基础上，根据里程计累计的里程进行准确的绝对位置定位。

e)位置校准：由于和里程计连接的行走轮可能存在打滑情况，因此，一段时间后，里程计定位可能出现累计误差，在轨道上分布有定位码和磁片，并提前标定好了定位码和磁片的位置，根据探测的定位码和磁片位置信息来消除机器人本体里程计累计误差。

粗精复合定位方式二：

在粗精复合定位过程中，若精定位传感器模块的扫码相机失效，如定位码被污渍覆盖、磁片丢失等情况，则在粗定位基础上，则可采用机器人本体缓慢移动到轨道不同位置，二维转台上的可见光相机继续精确识别标识牌的方式，基于P4P原理来进行精定位。此过程需要机器人在轨道上不同位置停止一定时间。

如图8所示，定位字符的铭牌上有粗定位字符和精定位标识，粗定位字符主要标识铭牌所在管廊的区域，精定位标识为黑色圆点，分布在字符铭牌的四个角上，精定位标识圆点的位置及间距已经提前标定好。字符铭牌坐标系为oxyz，转台上的可见光相机坐标系为o₁x₁y₁z₁，机器人本体坐标系为o₂x₂y₂z₂，则根据图像处理P4P相关原理，提取四个精定位标识的圆心位置。

因此，通过坐标转换，可求得机器人本体相对于字符铭牌的位置，从而得到机器人本体在管廊中的确切位置。

轨道式巡检机器人多传感器模块辅助定位模块采用多传感器模块复合定位。较单一传感器模块定位方式，当其中一种传感器模块失效时仍可依靠其他传感器模块持续定位，具有一定的容错能力。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种轨道式巡检机器人的多传感器辅助定位模块，其特征在于，包括：

定位标识模块，包括字符铭牌和轨道贴片，字符铭牌垂直安装在管廊顶部，用于传感器模块识别定位；轨道贴片，包括定位码和磁片，用于传感器模块识别定位码和磁片；

传感器模块，通过多个传感器识别管廊轨道中的字符铭牌和轨道贴片，将获取的信息传递至定位解算模块；

定位解算模块，用于将传感器模块获取的信息进行解算，并传递至控制中心，控制中心确定机器人本体在管廊中的位置；

传感器模块、定位解算模块设于机器人本体中，通过控制中心控制机器人本体在管廊轨道中行进，通过传感器模块获取定位标识模块信息，通过定位解算模块解算，控制中心确定机器人本体在管廊中的位置。

2.根据权利要求1所述的一种轨道式巡检机器人的多传感器辅助定位模块，其特征在于，所述机器人本体上设有行走轮、传感器模块、电源模块、定位解算模块、二维转台和光电载荷；传感器模块包括里程计、视觉扫码传感器、磁传感器和光电载荷内设的视觉字符定位传感器；里程计设在行走轮上，行走轮挂在管廊轨道上；视觉扫码传感器和磁传感器设在两个行走轮之间的检测板上；光电载荷安装在二维转台上。

3.根据权利要求2所述的一种轨道式巡检机器人的多传感器辅助定位模块，其特征在于，所述磁传感器包括一个霍尔传感器，磁片安装在管廊轨道上，并提前在管廊轨道上进行位置标定；霍尔传感器感应管廊轨道上的磁片。

4.根据权利要求2所述的一种轨道式巡检机器人的多传感器辅助定位模块，其特征在于，所述视觉扫码传感器为安装在机器人本体上的扫码相机，扫码相机扫描安装在轨道上的定位码，定位码为一位码或者二维码。

5.根据权利要求2所述的一种轨道式巡检机器人的多传感器辅助定位模块，其特征在于，所述字符铭牌包括粗定位字符和精定位标识；所述视觉字符定位传感器为安装在二维转台上的可见光相机，对出现在视场中的字符铭牌上的粗定位字符进行粗定位，或者对字符铭牌上的粗定位字符和精定位标识进行粗精复合定位。

6.根据权利要求1所述的一种轨道式巡检机器人的多传感器辅助定位模块，其特征在于，所述定位解算模块包括DSP核心电路、存储器和RS232串口，磁传感器通过DSP核心电路的GPIO口与DSP核心电路连接；视觉扫码传感器通过RS232串口与DSP核心电路连接，视觉字符定位传感器通过扩展串口连接DSP核心电路，DSP核心电路通过串口连接外电路。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述模块的轨道式巡检机器人的多传感器辅助定位方法，其特征在于，包括转台相机视觉粗定位+定位码精定位+磁片位置校准：

a)启动：二维转台的光电载荷指向前方，机器人本体根据里程计累计的相对启动位置计算出行走里程；

b)粗定位：当二维转台光电载荷视场内出现字符铭牌标识，机器人本体根据字符铭牌判断所在管廊的大致位置，开始减速，以减小高速运行造成的视觉扫码传感器成像模糊；

c)精定位：视觉扫码传感器的扫码相机在管廊附近区域扫描到管廊轨道上的定位码，根据定位码中的信息确定自身所处管廊的绝对位置；

d)持续位置递推：后续机器人本体在此绝对位置的基础上，根据里程计累计的里程进行准确的绝对位置定位；

e)位置校准：对里程计定位可能出现累计误差，根据在管廊轨道上标定了磁片位置信息来消除机器人本体里程计累计误差。

8.根据权利要求7所述的轨道式巡检机器人的多传感器辅助定位方法，其特征在于，包括转台相机视觉粗定位+转台相机视觉精定位+磁片位置校准：

在粗精复合定位过程中，若扫码相机失效，则在粗定位基础上，则采用机器人本体缓慢移动到管廊轨道不同位置，二维转台上的可见光相机继续精确识别字符铭牌上精定位标识的方式，基于P4P原理进行精定位；此过程机器人本体在轨道上不同位置停止一定时间。

9.根据权利要求8所述的轨道式巡检机器人的多传感器辅助定位方法，其特征在于，基于P4P原理进行精定位，机器人本体在管廊中精确的绝对位置坐标通过以下方式得到：

字符铭牌坐标系为oxyz，转台上的可见光相机坐标系为o₁x₁y₁z₁，机器人本体坐标系为o₂x₂y₂z₂，则得到关于构成投影矩阵M的各元素m_i的线性齐次方程组：

式中，(X,Y,Z)为字符铭牌坐标系坐标，i＝0,1,3,4,5,7,8,9,11；

投影矩阵M表示如下：

定义z轴为垂直的字符铭牌方向，

为转台上的可见光相机的图像坐标，m₁₁为转台上的可见光相机坐标系相对于字符铭牌坐标系Z轴上的平移量；令a_i＝m_i/m₁₁，则关于a_i的线性方程组，表示如下：

通过求解线性方程组，可以得到可见光相机坐标系相对于字符铭牌坐标系的精确坐标，进而获得机器人本体在管廊中的精确位置信息。

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