CN112859880A - 一种移动机器人室内自动定位及智能避障系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种移动机器人室内自动定位及智能避障系统，包括实时位置计算部件、辅助修正定位部件和智能避障部件，辅助修正定位部件包括激光雷达定位结构、视觉定位结构以及磁条定位结构，激光雷达定位结构包括激光器，视觉定位结构包括用于扫描环境中张贴的图片的摄像头，磁条定位结构包括用于识别运行环境中的磁条的射频阅读器，三者均用于计算出机器人当前所在位置以及修正当前机器人在地图上的位置坐标；智能避障部件包括激光器、深度摄像头、超声波传感器、红外传感器和碰撞传感器。本发明所述系统和方法投入成本低，实施简单，且在简单的环境布置后即可使用；本发明的定位不会产生累计误差，精度非常高，且可以实现多样化的立体智能避障。

Description

一种移动机器人室内自动定位及智能避障系统及方法

技术领域

本发明属于机器人导航定位领域，具体涉及一种移动机器人室内自动定位及智能避障系统及方法。

背景技术

机器人定位导航技术已经发展许久，但主要是基于室外GPS定位方式实现的，机器人一旦进入室内环境，尤其是信号不好的环境，导航定位就变得极其困难。

现阶段常用的机器人室内定位方案如下：第一种是无线信号定位，包括蓝牙和UWB等方式。具体来说，这是一种短距离低功耗的无线传输技术，包括在室内安装多个无线信号接入点，机器人设备通过向多个接入点发送信号的时间差而计算出当前位置。该方案成本较高，且仅在小范围内定位准确性高，若机器人运动范围稍大一些，则需要布署大量的接入点；此外，当地形复杂有噪声信号时，其定位效果将变得很差。第二种是红外线定位。具体来说，包括在室内安装多个红外接收器，设置机器人在移动过程中不断发射红外线信号来实现定位。该方法精度高，并且抗干扰能力强，但是由于光线无法穿过障碍物，因而该方式在非空旷环境无法使用。

专利申请CN201710061721.7提供一种非可见激光定标室内定位导航方法及系统，通过至少一个激光定标器向屋顶或墙壁发射参考图形，激光定标器发射非可见激光；地面上待定位装置上的摄像头将参考图形生成成像图形；根据定位点成像的位置及距离反推摄像头中心相对于参考图形中定位点p1、p2的仰角及旋转角，计算出每个定位点相对于摄像头中心的俯角和旋转角；根据每个定位点相对于摄像头中心的俯角和旋转角，计算出摄像头中心的三维坐标，进而对待定位装置进行定位或导航。该发明精度高，成本低，抗干扰能力强且便于维护。但该发明至少具备如下缺陷：1、该导航系统的定位精度高，但是覆盖范围小。因一个激光定标器的覆盖范围一般为一个直径4米的圆形区域，因而对于面积稍大的场地，便需要安装大量的激光定标器，因此该导航系统成本高。2、该发明中的激光定标器需要供电与安装，当激光定标器数量较多时，其安装与维护将变得非常困难，并且影响环境美观。3、该导航系统中的定位方式单一，易受环境影响而导致定位功能失效。具体地，该方案中依赖摄像头识别图标定位，而当有灯光直射摄像头时，会使该定位功能失效。

专利申请CN201910557172.1公开了一种机器人的室内定位导航的方法，包括机器人本体、左侧驱动轮、右侧驱动轮、固定式单点激光测距模块、激光测距线、障碍物、机器人圆心、单目摄像头、陀螺仪模块和MCU控制模块，所述机器人本体的底部且位于机器人圆心的两端安装有相互对称分布的左侧驱动轮和右侧驱动轮。采用一个固定的固定式单点激光测距模块，可安装在机器人水平方向的前后左右任何部位，通过机器人的旋转，达到360°扫描障碍物，建立地图的目的，效果等同于360°的旋转激光测雷达，并结合单目摄像头，实现室内建图，定位功能。该方案但更易于安装，因为没有旋转机构，不需要电机控制固定式单点激光测距模块旋转，因此固定式单点激光测距模块的使用寿命更长，成本更低。但该发明至少具备如下缺陷：1、其属于常规的建图导航方案（SLAM），因而其定位精度高度依赖于传感器的精度。2、该方案中，主要的定位校准依靠激光雷达，而激光雷达受场地地形影响比较大，当环境比较空旷时，特别容易产生定位误差。3、当其室内定位导航系统有累计误差产生且误差累计到一定程度时，因激光雷达无法再修正位置，因而机器人的定位信息将出错并且无法修正。

因此，上述发明中公开的这些室内定位导航技术都并不适应于在商场和医院等较为复杂的运行环境中运行的移动售货机器人。

此外，机器人在室内的运行除了导航定位之外，还需要考虑智能避障。现有技术中也鲜有对室内运行的自动售货机器人的智能避障方案。

因此，本领域仍然需要一种新的移动机器人室内自动定位及智能避障系统及方法。

发明内容

本发明使用了多种定位方案，多种角度的定位机制，该系统适合于各种各样的、复杂的室内定位及智能避障场景。

因此，本发明提供一种移动机器人室内自动定位及智能避障系统，所述室内自动定位及智能避障系统包括实时位置计算部件、辅助修正定位部件和智能避障部件，所述实时位置计算部件包括惯性测量单元即IMU，所述辅助修正定位部件包括激光雷达定位结构、视觉定位结构以及磁条定位结构，所述激光雷达定位结构包括设置在机器人上的激光器，所述激光器用于扫描机器人的周边障碍物生成特征码与地图上的数据比对而修正当前机器人在地图上的位置坐标，所述视觉定位结构包括设置在机器人上的摄像头，所述摄像头用于扫描识别机器人运行环境中张贴的图片，而计算出机器人当前所在位置，以便用于修正当前机器人在地图上的位置坐标；所述磁条定位结构包括设置在机器人上的射频阅读器，所述射频阅读器通过射频识别技术即RFID识别张贴设置在机器人运行环境中的磁条而计算出机器人当前所在位置，以便用于修正当前机器人在地图上的位置坐标；所述智能避障部件包括激光器、深度摄像头、超声波传感器、红外传感器和碰撞传感器。

在一种具体的实施方式中，所述移动机器人为自动售货机器人。

在一种具体的实施方式中，所述移动机器人室内自动定位及智能避障系统还包括设置在机器人上的主控制器，所述惯性测量单元以及辅助修正定位部件中的激光器、摄像头以及射频阅读器均与所述主控制器连接，所述智能避障部件中的激光器、深度摄像头、超声波传感器、红外传感器和碰撞传感器也均与所述主控制器连接。

在一种具体的实施方式中，所述移动机器人室内自动定位及智能避障系统还包括与所述主控制器通讯连接的云服务器。

在一种具体的实施方式中，所述移动机器人上以及云服务器上均包含显示器，所述显示器至少用于显示包含机器人实时位置的地图。

在一种具体的实施方式中，所述智能避障部件中使用的激光器与辅助修正定位部件中使用的激光器为同一个激光器。

在一种具体的实施方式中，所述超声波传感器包括设置在机器人外壳周围的6~8个，所述红外传感器包括设置在机器人外壳周围的2~4个，所述碰撞传感器包括设置在机器人外壳底部周围的3~5个。

在一种具体的实施方式中，所述深度摄像头与辅助修正定位部件中使用的摄像头并不相同。

本发明还提供一种移动机器人室内自动定位及智能避障方法，包括使用一种如上所述的移动机器人室内自动定位及智能避障系统，且所述室内自动定位及智能避障方法包括先构建机器人运行场景的二维地图，且通过机器人的移动速度和运行姿态即运动方向计算出机器人在地图中的实时位置；再根据所述激光雷达定位结构、视觉定位结构以及磁条定位结构获取的机器人位置信息对地图中的机器人位置信息进行实时修正和更新；同时所述机器人使用所述智能避障部件进行实时智能避障。

在一种具体的实施方式中，所述智能避障方法还包括事先在地图中做障碍点标记，以及事先限定机器人的运行范围；所述射频阅读器设置在机器人的底部，且所述磁条张贴设置在机器人运行环境中的地面上。

本发明至少具备如下有益效果：本发明先构建地图，并通过机器人运动的速度和方向计算出机器人在地图上的位置，以此对机器人进行基础定位；再加上激光雷达、摄像头视觉定位和射频磁条定位三种方式辅助定位，再通过包含多种传感器的智能避障部件对机器人实施智能避障，使得本发明所述系统和方法投入成本低，实施简单，在简单的环境布置后即可使用，并且不影响现场美观。2、本发明的系统定位不会产生累计误差，定位精度非常高，并且非常稳定，不会出现定位功能失效的情况。3、本发明中含有多种定位校准功能，不会出现定位出错和无法修正的问题。4、本发明不容易受地形环境影响，适合各种室内场地。5、本发明提供的智能避障系统可实现多样化的立体避障。

具体实施方式

本发明中，所述惯性测量单元即IMU是现有技术。惯性测量单元(IMU)是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一般而言IMU要安装在被测物体的重心上。为了提高IMU的可靠性，可以为每个轴配备多个的传感器。IMU大多用在需要进行运动控制的设备，如汽车和机器人上。也被用在需要用姿态进行精密位移推算的场合，如潜艇、飞机、导弹和航天器的惯性导航设备等。

本发明中，所述射频识别技术即RFID是现有技术。无线射频识别即射频识别技术是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的，其被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一。无线射频识别技术通过无线电波不接触快速信息交换和存储技术，通过无线通信结合数据访问技术，然后连接数据库系统，加以实现非接触式的双向通信，从而达到了识别的目的，用于数据交换，串联起一个极其复杂的系统。在识别系统中，通过电磁波实现电子标签的读写与通信。根据通信距离，可分为近场和远场，为此读/写设备和电子标签之间的数据交换方式也对应地被分为负载调制和反向散射调制。RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入阅读器后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

本发明所述方法中，首先构建机器人运行场景的地图。然后通过机器人的移动速度和姿态（即在包含X轴和Y轴的二维地图上与正北方向所呈角度）实时计算出机器人在地图中的位置。再通过激光雷达探测地形，根据地形特征值与地图数据比对，实现定位校准；并通过摄像头进行视觉定位，且具体是在机器人运行环境中一些指定的位置贴上一些指定的图片，摄像头识别图片后进行位置校准；还通过射频阅读器进行位置校准，具体是在机器人可能会经过的区域的地面上贴上一些带有ID信息的磁条。当机器人的射频阅读器与磁条的距离足够小，视频阅读器识别到磁条ID后，进行位置校准。

本发明的定位系统由两部分组成：实时位置计算部分和辅助定位部分。

1.实时位置计算：通过实时采集机器人的运行速度，再加入时间，根据公式s=v*t计算出机器人的位置差。再加入机器人的姿态，利用三角函数可以分别计算出机器人在二维坐标系中的实时坐标，x = s * sinθ，y = s * cosθ，其中θ表示当前姿态在地图中正北方向的偏移角度。

2.激光雷达定位：激光雷达可以扫描机器人周边障碍物的距离，根据距离数据组合成二维图型，生成特征码与地图上的数据做比对。当匹配成功时，修正当前机器人在地图上的位置坐标。

3.摄像头视觉定位：在机器人的运行环境中贴上多幅指定的图片，每幅图片都有相应的位置信息。当机器人摄像头扫描识别图片后，根据图片大小计算出机器人与图片的距离，再根据图片在摄像头画面中的位置计算出角度，从而计算出机器人当前所在位置，修正当前机器人在地图上的位置坐标。

4.射频磁条定位：在机器人可能经过的地方的地面上贴设带有ID信息的磁条，每个ID值都有对应的地图坐标信息。当机器人的射频阅读器进入磁条的范围内，则射频阅读器识别到磁条信息，根据对应的ID值转换成地图坐标信息，修正当前机器人在地图上的位置坐标。

本发明中，实时位置计算响应速度快、精度高，但是容易产生累积误差，因而加入激光雷达定位、摄像头视觉定位以及射频磁条定位三种方式辅助校准定位。该方案整体实施成本低、精度高，且不受地形与环境干扰影响，实用性非常高。

而本发明提供的移动机器人智能避障系统和方法可适用于绝大部分平整地面的运行场景，其中使用了激光器、超声波传感器、红外传感器、碰撞传感器、深度摄像头等多种传感器采集环境数据，采集到的数据上传到机器人的主控制器，再结合地图上的障碍点标记，实现多样化的立体避障。

具体地，本发明所述智能避障部件包括如下结构。

1. 激光器：具体是一种激光反射原理的激光器，利用光发射到光接收的时间差计算出机器人到障碍之间的距离。激光器可以在水平范围上360度全方位扫描障碍物，该传感器一方面用于检测障碍物，另一方面还用于采集地形数据，用于数据分析。激光器覆盖范围大，但是扫描速度较慢，避障反应不够灵敏。

2. 深度摄像头：又称为深度相机或3D相机。通过3D相机能检测出拍摄空间的距离信息，这也是它与普通摄像头最大的区别。它利用TOF技术对拍摄画面中的每个像素点进行距离采集。对于机器人正前方的障碍物，无论高低大小都可以识别到，降低了碰撞的风险。

3. 超声波传感器：具体是一种利用超声波反射原理计算与目标障碍物之前距离的传感器。该传感器的精度一般，处理速度不快，但是稳定性好，并且具有一定的探测角度，容错率高。

4. 红外传感器：具体是一种利用红外线反射原理计算与目标障碍物之前距离的传感器。该传感器精度高，并且处理速度快，但是红外线易受强光线干扰，其检测范围小，且容错率低。

5. 碰撞传感器：具体是一种条状的接触式开关，同样可以通过商购获取。当机器人的碰撞传感器碰撞到物体后，会产生碰撞信号发送至主控制器。该传感器安装于机器人底部边缘，作为机器人智能避障的最后一道防线，当碰撞传感器轻微碰撞物体后，便可以及时响应处理。

关于上述各智能避障部件在机器人上的安装，一般是超声波传感器与红外传感器均为多个且环绕机器人外壳周向分散安装，碰撞传感器同样为多个且分散安装于机器人外壳底部周向边缘，激光器为一个且安装于机器人底部中心位置，深度摄像头为一个且安装于机器人正前方的位置。在机器人运行过程中，超声波传感器与红外传感器实时检测周围环境的障碍物，深度摄像头实时检测机器人运行的正前方的障碍，辅以激光器和碰撞传感器，全面而立体的障碍物检测，保障了机器人的安全运行。

本发明中，机器人数据实时上报云服务器，云服务器可以规划机器人运行路径，更新地图，以及设置地图障碍点标记。且通过云服务器的导航路径设置，可以限定机器人的运行范围，配合地图障碍点标记，可以排除掉一些可能发生碰撞的障碍物。

总的来说，本发明提供一种移动机器人室内自动定位及智能避障系统，包括实时位置计算部件、辅助修正定位部件和智能避障部件，实时位置计算部件包括惯性测量单元，辅助修正定位部件包括激光雷达定位结构、视觉定位结构以及磁条定位结构，激光雷达定位结构包括激光器，视觉定位结构包括用于扫描环境中张贴的图片的摄像头，磁条定位结构包括用于识别运行环境中的磁条的射频阅读器，辅助修正定位部件均用于计算出机器人当前所在位置以及修正当前机器人在地图上的位置坐标；智能避障部件包括激光器、深度摄像头、超声波传感器、红外传感器和碰撞传感器。本发明所述系统和方法投入成本低，实施简单，且在简单的环境布置后即可使用；本发明的定位不会产生累计误差，精度非常高，且可以实现多样化的立体智能避障。

上述实施例仅为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。在不改变本发明基本构思和实质的情况下，任何其它等同技术特征的变换或修改，都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种移动机器人室内自动定位及智能避障系统，所述室内自动定位及智能避障系统包括实时位置计算部件、辅助修正定位部件和智能避障部件，所述实时位置计算部件包括惯性测量单元即IMU，所述辅助修正定位部件包括激光雷达定位结构、视觉定位结构以及磁条定位结构，所述激光雷达定位结构包括设置在机器人上的激光器，所述激光器用于扫描机器人的周边障碍物生成特征码与地图上的数据比对而修正当前机器人在地图上的位置坐标，所述视觉定位结构包括设置在机器人上的摄像头，所述摄像头用于扫描识别机器人运行环境中张贴的图片，而计算出机器人当前所在位置，以便用于修正当前机器人在地图上的位置坐标；所述磁条定位结构包括设置在机器人上的射频阅读器，所述射频阅读器通过射频识别技术即RFID识别张贴设置在机器人运行环境中的磁条而计算出机器人当前所在位置，以便用于修正当前机器人在地图上的位置坐标；所述智能避障部件包括激光器、深度摄像头、超声波传感器、红外传感器和碰撞传感器。

2.根据权利要求1所述的室内自动定位及智能避障系统，其特征在于，所述移动机器人为自动售货机器人。

3.根据权利要求1所述的室内自动定位及智能避障系统，其特征在于，所述移动机器人室内自动定位及智能避障系统还包括设置在机器人上的主控制器，所述惯性测量单元以及辅助修正定位部件中的激光器、摄像头以及射频阅读器均与所述主控制器连接，所述智能避障部件中的激光器、深度摄像头、超声波传感器、红外传感器和碰撞传感器也均与所述主控制器连接。

4.根据权利要求3所述的室内自动定位及智能避障系统，其特征在于，所述移动机器人室内自动定位及智能避障系统还包括与所述主控制器通讯连接的云服务器。

5.根据权利要求4所述的室内自动定位及智能避障系统，其特征在于，所述移动机器人上以及云服务器上均包含显示器，所述显示器至少用于显示包含机器人实时位置的地图。

6.根据权利要求1所述的室内自动定位及智能避障系统，其特征在于，所述智能避障部件中使用的激光器与辅助修正定位部件中使用的激光器为同一个激光器。

7.根据权利要求1所述的室内自动定位及智能避障系统，其特征在于，所述超声波传感器包括设置在机器人外壳周围的6~8个，所述红外传感器包括设置在机器人外壳周围的2~4个，所述碰撞传感器包括设置在机器人外壳底部周围的3~5个。

8.根据权利要求1所述的室内自动定位及智能避障系统，其特征在于，所述深度摄像头与辅助修正定位部件中使用的摄像头并不相同。

9.一种移动机器人室内自动定位及智能避障方法，包括使用一种如权利要求1~8中任意一项所述的移动机器人室内自动定位及智能避障系统，且所述室内自动定位及智能避障方法包括先构建机器人运行场景的二维地图，且通过机器人的移动速度和运行姿态即运动方向计算出机器人在地图中的实时位置；再根据所述激光雷达定位结构、视觉定位结构以及磁条定位结构获取的机器人位置信息对地图中的机器人位置信息进行实时修正和更新；同时所述机器人使用所述智能避障部件进行实时智能避障。

10.根据权利要求9所述方法，其特征在于，所述智能避障方法还包括事先在地图中做障碍点标记，以及事先限定机器人的运行范围；所述射频阅读器设置在机器人的底部，且所述磁条张贴设置在机器人运行环境中的地面上。