CN113031587A - 一种轨道式巡检机器人定位装置及编码定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道式巡检机器人定位装置及编码定位方法，包括传感器模块、组合导航解算模块和电源模块，通过控制中心控制机器人本体在管廊轨道中行进，通过光电传感器的激光发射器发射光束穿过管廊轨道中定位孔，光电传感器的光电探测器识别发射光束，采用脉宽比值编码确定轨道式巡检机器人本体在轨道上的相对位置信息，将获取的信息传递至组合导航解算模块对传感器的数据进行解算，控制中心确定机器人本体在管廊中的位置。该方法能够降低轨道定位系统布设的复杂度，同时保证一定的定位精度。

Description

一种轨道式巡检机器人定位装置及编码定位方法

技术领域

本发明属于导航定位技术领域，涉及一种使用脉宽比值编码或固定编码方式进行定位导航的方法。

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。

因此，如何降低轨道定位系统布设的复杂度和成本，同时保证一定的定位精度，是未来管廊巡检机器人定位需要考虑的方向。

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定位导航方法，该方法能够降低轨道定位系统布设的复杂度，同时保证一定的定位精度。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供了一种轨道式巡检机器人定位装置，包括：

传感器模块，包括双光电传感器和里程计，通过光电传感器的激光发射器发射光束穿过管廊轨道中定位孔，光电传感器的光电探测器识别发射光束，采用脉宽比值编码确定轨道式巡检机器人本体在轨道上的相对位置信息，将获取的信息传递至组合导航解算模块；

组合导航解算模块，用于对传感器的数据进行解算，数据融合，解算后的导航数据传输至外部控制中心；

电源模块，为机器人本体提供电源供电；

传感器模块、组合导航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管廊轨道中定位孔信息，通过组合导航解算模块解算，控制中心确定机器人本体在管廊中的位置。

优选的，所述机器人本体上设有行走轮、传感器模块、电源模块和组合导航解算模块，传感器模块包括双光电传感器和里程计，里程计设在行走轮上，行走轮挂在管廊轨道上；管廊轨道上设有定位孔，双光电传感器中双激光发射器和双光电探测器分别设于机器人本体底座上，并位于管廊轨道两侧行走轮之间；组合导航解算模块设于机器人本体中。

优选的，所述双光电传感器包括双激光发射器和双光电探测器，双激光发射器在轨道一侧，双光电探测器在轨道另一侧，用于识别轨道上的定位孔。

优选的，所述组合导航解算模块，包括DSP核心电路、存储器和串口通信模块，双光电传感器分别通过cap1口和cap2口与DSP核心电路连接；里程计通过CAP与DSP核心电路连接；DSP核心电路通过串口连接外电路。

本发明进而提供了一种的轨道式巡检机器人定位导航方法，包括：采用脉宽比值编码方式：

通过双激光发射器和双光电探测器与轨道上的两个半径不同的定位孔，机器人本体行走过程中，双激光发射器发出的光线穿过对应的定位孔，双光电探测器接收光线并形成脉冲信号，根据定位孔半径不同，形成的脉冲宽度不同，两个脉冲宽度比值和预先标定好的位置对应，以确定对应的绝对位置。

优选的，机器人本体运行过程中，双光电探测器划过不同大小的定位孔，两个光电探测器上形成不同宽度的脉冲；

控制上下两个定位孔的打孔半径，可生成不同的比值参数Q₀、Q₁、Q₂...Q_n，标定时，将该比值参数和孔位所在管廊位置坐标一一对应，作为绝对位置点的位置编码；

当机器人本体运动到定位孔孔位点，探测到两个脉冲信号并计算出比值后，就可以根据比值查找到对应的绝对位置坐标。

本发明还提供了一种轨道式巡检机器人定位导航方法，包括：采用相似度法方式计算最佳匹配位置：

在只有一个激光发射器或光电探测器生效情况下，采用固定编码对打孔孔位间距进行编码，确定两两孔位间距唯一，第一次标定时存储孔位间距编码序列，机器人本体实际运动时采集定位孔间隔与存储定位孔间隔进行匹配，采用相似度法计算最佳匹配位置，确定机器人本体最终绝对运动位置。

优选的，采用相似度法方式计算最佳匹配位置具体包括：

a生成固定编码：

沿管廊轨道架设方向设定一个固定轨道打孔间隔L₀，软件生成不重复的固定调制码，采用固定调制码对L₀进行调制，保证生成的间隔序列不重复，调制后生成打孔间隔序列{L₁,L₂,...,L_n}

L_i＝L₀+δL_i (1.2)

式中，{δL₁,δL₂,...,δL_n},i＝1,…,n为不重复的固定编码序列；

b.打孔：

按照编码方式在轨道上打孔，然后进行机器人本体标定、信息采集、位置匹配和位置修正。

优选的，所述步骤b中，进行机器人本体标定、信息采集、位置匹配和位置修正过程如下：

标定：在轨道上采用固定编码开n+1个孔位，两个孔位之间的间距一共有n段，巡检机器人沿起点低速运行依次经过n+1个孔位，机器人本体的处理器每经过一个孔位接收光电传感器的一个脉冲，机器人本体以脉冲信号为里程计测量的起止信号，依次测量孔位间距{L₁,L₂,...,L_n}存入存储器中；机器人本体遍历一遍后，在轨道上标定出每个孔位位置；

信息采集：机器人本体在管廊内边运行边使用光电探测器和里程计测量两个孔位之间的间距

得到距离数列片段

将此片段和数据库存储的标定时的数列{L₁,L₂,...,L_n}比对，找到匹配的片段，即可找到机器人本体在轨道上的相对位置；

位置匹配：机器人本体在高速运行下，根据实际测量间距和标定间距存在误差，设单次孔位间距测量误差为ΔL_i；得到机器人本体实际运行间距和标定间距的关系和则匹配时采用如下匹配相似度算法；

遍历匹配完所有的点后，最大匹配度R₀(i)所对应的位置即为匹配位置；

位置修正：里程计累积输出位置和标定位置对比，得到累积误差ΔL_i，到达光电定位孔后将机器人本体绝对位置修正为光电定位孔标定位置，从而消除误差ΔL_i。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

相对于无线定位需要专门铺设基站和RFID标签的形式，本发明只需要在机器人上安装激光器、探测器及轨道打孔，即可实现机器人绝对位置定位，减小了使用和维护成本。

就定位精度来说，相对于UWB、WIFI等无线方式，双孔光电定位方式使机器人的定位精度提升到了cm级，有助于机器人在管廊内的巡检作业。

双孔光电定位方式通过探测到的双脉冲宽度比值和之前标定信息即可确定机器人在管廊内的绝对位置信息，较单孔定位需要多个孔位进行编码解算的方式，定位效率更高。

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为组合导航模块组成层级图；

图2为管廊巡检机器人及双光电传感器安装位置结构示意图；

图3为双光电传感器工作示意图；

图4为组合导航模块各部分连接关系；

图5为固定编码匹配定位过程示意图；

图6为轨道孔位编码示意图；

图7为轨道编码间距匹配过程示意图。

图中：1、管廊轨道；2、双光电探测器；3、定位孔；4、双激光发射器；5、里程计；6、组合导航解算模块；7、机器人本体。

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，本发明的轨道式巡检机器人定位装置主要由传感器模块、电源模块、组合导航解算模块组成，传感器模块主要包括双光电传感器、里程计。传感器模块，通过光电传感器的激光发射器发射光束穿过管廊轨道中定位孔，光电传感器的光电探测器识别发射光束，采用脉宽比值编码确定轨道式巡检机器人本体在轨道上的相对位置信息，将获取的信息传递至组合导航解算模块。里程计模块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机器人本体行使的里程，在探测到绝对位置标识后，再结合里程计信息可获得机器人本体在管廊内持续运动的位置信息。电源模块主要为设备提供电源供电。可实现5V转3.3V，5V转1.8V，5V转1.3V电平转换。

传感器模块、组合导航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管廊轨道中定位孔信息，通过组合导航解算模块解算，控制中心确定机器人本体在管廊中的位置。

如图2所示，机器人本体7包括行走轮、传感器模块、电源模块和组合导航解算模块，传感器模块包括双光电传感器和里程计，里程计5设在行走轮上，行走轮挂在管廊轨道1上；管廊轨道上设有定位孔3，双光电传感器中双激光发射器4和双光电探测器2分别设于机器人本体底座上，并位于管廊轨道两侧行走轮之间。组合导航解算模块6设于机器人本体中。

双光电传感器工作原理如图3所示，有两个激光发射器(激光发射器a和激光发射器b)，穿过两个定位孔位，对应两个光电探测器，双光电传感器在经过轨道孔位的时候输出两个不同宽度的脉冲信号，并将该信号传递给DSP，DSP会结合里程计信息计算两个脉冲信号(对应轨道上两个孔位)宽度的比值，并将提前标定好的比值信息和对应绝对位置信息存入数据库中。

组合导航解算模块主要由DSP核心电路、存储器及串口通信模块组成，用于对传感器数据进行解算，数据融合。解算后的导航数据通过RS232串口送给外部控制中心，外部控制中心内部存储有管廊地图，可配合导航数据显示机器人本体位置。

各模块之间的位置关系如图4所示。电源模块为传感器模块和辅助定位解算模块供电，两个光电传感器信号分别通过DSP的cap1口、cap2口和DSP连接，里程计通过CAP与DSP核心电路连接；DSP核心电路通过串口连接外电路。当机器人本体通过轨道上的孔位时，光电传感器输出的脉冲被DSP接收，产生相应的GPIO捕捉中断，DSP可以根据捕捉的两个脉冲宽度相对信息确定绝对位置，对里程计产生的里程进行相对位置校正。里程计通过DSP的CAP捕捉口和DSP连接，随着轮子旋转，里程计输出的脉冲被DSP捕捉计数，再结合行走轮半径计算机器人本体行走里程。

双光电传感器中双激光发射器在轨道一侧，双光电探测器在轨道另一侧，用于识别轨道上的孔位。

下面给出两种不同的定位方法。

其基本原理是，由于上下两个定位孔开孔大小不一样，可以采用两定位孔开孔大小的比值作为位置标识。

根据图4描述，机器人本体运行过程中，双光电传感器划过不同大小的定位孔，两个探测器上会形成不同宽度的脉冲，两个脉冲宽度和打孔半径满足如下比例关系：

d/D＝r/R (1.1)

对照图3所示，式中，r为轨道上半部分的开孔半径，d为探测器经过上半部分开孔探测到光线所输出的脉冲信号宽度，R为轨道下半部分的开孔半径，D为探测器经过下半部分开孔探测到光线所输出的脉冲信号宽度。

因此，控制上下两个定位孔的打孔半径，可生成不同的比值参数Q₀、Q₁、Q₂...Q_n，标定时，将该比值参数和定位孔所在管廊位置坐标一一对应，作为绝对位置点的位置编码。

当机器人本体运动到定位孔孔位点，探测到两个脉冲信号并计算出比值后，就可以根据比值查找到对应的绝对位置坐标。

定位方法二：当其中一个传感器故障时，单一传感器可采用固定编码定位。方式如下：

a编码方式(固定编码生成)：

生成固定编码：

沿管廊轨道架设方向设定一个固定轨道打孔间隔L₀，软件生成不重复的固定调制码，采用固定调制码对L₀进行调制，保证生成的间隔序列不重复，调制后生成打孔间隔序列{L₁,L₂,...,L_n}

L_i＝L₀+δL_i (1.2)

式中，{δL₁,δL₂,...,δL_n},i＝1,…,n为不重复的固定编码序列；

b打孔：

确定编码方式后，按照如图5所示方法，按照该编码方式在轨道上打孔，然后进行机器人本体标定，然后依次进行信息采集、位置匹配、位置修正等过程。详细过程如下：

c标定：

如图6所示，在轨道上采用固定编码开n+1个孔位，两个孔位之间的间距一共有n段，在最初进行轨道标定时，让机器人本体沿起点开始低速运行依次经过这些孔位，每经过一个孔位时，机器人本体的处理器会接收到来自光电传感器的一个脉冲，机器人本体以脉冲信号为里程计测量的起止信号，依次测量孔位间距L₁、L₂…L_n，并将此数列{L₁,L₂,...,L_n}存入存储器中。机器人本体遍历一遍后，每个孔位在轨道上的位置可以标定出来。所标定的轨道孔位间距两两不同，具有唯一性。

d信息采集：

标定完成后，机器人本体实际巡检中，机器人本体在管廊内的任何一段开始运行，边运行边使用光电探测器和里程计测量两个孔位之间的间距

得到距离数列片段

将此片段和数据库存储的标定时的数列{L₁,L₂,...,L_n}比对，找到匹配的片段，即可找到机器人本体在轨道上的相对位置，见图7所示。

e匹配过程：

由于机器人本体在高速下运行，可能存在轮子打滑等情况，实际测量间距和标定间距可能存在一定误差，设单次孔位间距测量误差为ΔL_i。则机器人本体实际运行间距和标定间距的关系如下：

则匹配时采用如下匹配相似度算法，如下式(1.3)所示。

上式中，R₀(i)为匹配到第i个点时，标定孔位间距序列和巡检时轨道孔位间距序列的相似度。N为对比的序列长度。i＝1,…,n-j为遍历匹配到的第i个点。遍历匹配完所有的点后，最大匹配度R₀(i)所对应的位置即为匹配位置。

f位置修正：

首次匹配完成后，机器人本体定位出在轨道上的具体位置，运行到下一个孔位后经过光电探测，里程计累积输出位置和标定位置对比，会有一个累积误差ΔL_i，到达光电孔位后将机器人本体绝对位置修正为光电孔位标定位置，从而消除误差ΔL_i的影响。

从以上实施例可以看出，本发明方法可采用脉宽编码或固定编码定位，相对无线定位及RFID标签定位模式，采用固定编码进行孔位间距匹配定位，可降低成本，提高可靠性。

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 (10)

1.一种轨道式巡检机器人定位装置，其特征在于，包括：

传感器模块，包括双光电传感器和里程计，通过光电传感器的光电探测器识别激光发射器发射穿过管廊轨道中定位孔的光束，采用脉宽比值编码确定轨道式巡检机器人本体在轨道上的相对位置信息，将获取的信息传递至组合导航解算模块；

组合导航解算模块，用于对传感器的数据进行解算，数据融合，解算后的导航数据传输至外部控制中心；

电源模块，为机器人本体提供电源供电；

传感器模块、组合导航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管廊轨道中定位孔信息，通过组合导航解算模块解算，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定位装置，其特征在于，所述机器人本体上设有行走轮、传感器模块、电源模块和组合导航解算模块，传感器模块包括双光电传感器和里程计，里程计设在行走轮上，行走轮挂在管廊轨道上；管廊轨道上设有定位孔，双光电传感器中双激光发射器和双光电探测器分别设于机器人本体底座上，并位于管廊轨道两侧行走轮之间，组合导航解算模块设于机器人本体中。

3.根据权利要求1所述的一种轨道式巡检机器人定位装置，其特征在于，所述双激光发射器在轨道一侧，双光电探测器在轨道另一侧，用于识别轨道上的定位孔。

4.根据权利要求1所述的一种轨道式巡检机器人定位装置，其特征在于，所述组合导航解算模块，包括DSP核心电路、存储器和串口通信模块，双光电传感器分别通过cap1口和cap2口与DSP核心电路连接；里程计通过CAP与DSP核心电路连接；DSP核心电路通过串口连接外电路。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述装置的轨道式巡检机器人定位导航方法，其特征在于，包括：采用脉宽比值编码方式：

通过双激光发射器和双光电探测器与轨道上的两个半径不同的定位孔，机器人本体行走过程中，双激光发射器发出的光线穿过对应的定位孔，双光电探测器接收光线并形成脉冲信号，根据定位孔半径不同，形成的脉冲宽度不同，两个脉冲宽度比值和预先标定好的位置对应，以确定对应的绝对位置。

6.根据权利要求5所述的轨道式巡检机器人定位导航方法，其特征在于，机器人本体运行过程中，双光电探测器划过不同大小的定位孔，两个光电探测器上形成不同宽度的脉冲，两个脉冲宽度和打孔半径满足如下比例关系：

d/D＝r/R (1.1)

式中，r为轨道上半部分的开孔半径，d为光电探测器经过上半部分开孔探测到光线所输出的脉冲信号宽度，R为轨道下半部分的开孔半径，D为光电探测器经过下半部分开孔探测到光线所输出的脉冲信号宽度；

控制上下两个定位孔的打孔半径，可生成不同的比值参数Q₀、Q₁、Q₂...Q_n，标定时，将该比值参数和孔位所在管廊位置坐标一一对应，作为绝对位置点的位置编码；

当机器人本体运动到定位孔孔位点，探测到两个脉冲信号并计算出比值后，根据比值查找到对应的绝对位置坐标。

7.一种基于权利要求1-4任一项所述装置的轨道式巡检机器人定位导航方法，其特征在于，包括：采用相似度法方式计算最佳匹配位置：

在只有一个激光发射器或光电探测器生效情况下，采用固定编码对打孔孔位间距进行编码，确定两两孔位间距唯一，第一次标定时存储孔位间距固定编码序列，机器人本体实际运动时采集定位孔间隔与存储定位孔间隔进行匹配，采用相似度法计算最佳匹配位置，确定机器人本体最终绝对运动位置。

8.根据权利要求7所述的轨道式巡检机器人定位导航方法，其特征在于，采用相似度法方式计算最佳匹配位置具体包括：

a.生成固定编码：

沿管廊轨道架设方向设定一个固定轨道打孔间隔L₀，软件生成不重复的固定调制码，采用固定调制码对L₀进行调制，保证生成的间隔序列不重复，调制后生成打孔间隔序列{L₁,L₂,...,L_n}

L_i＝L₀+δL_i (1.2)

式中，{δL₁,δL₂,...,δL_n},i＝1,…,n为不重复的固定编码序列；

b.打孔：

按照编码方式在轨道上打孔，然后进行机器人本体标定、信息采集、位置匹配和位置修正。

9.根据权利要求8所述的轨道式巡检机器人定位编码定位方法，其特征在于，所述步骤b中，进行机器人本体标定、信息采集、位置匹配和位置修正过程如下：

标定：

在轨道上采用固定编码开n+1个孔位，两个孔位之间的间距一共有n段，机器人本体沿起点低速运行依次经过n+1个孔位，机器人本体的处理器每经过一个孔位接收光电传感器的一个脉冲，机器人本体以脉冲信号为里程计测量的起止信号，依次测量孔位间距{L₁,L₂,...,L_n}存入存储器中；机器人本体遍历一遍后，在轨道上标定出每个孔位位置；

信息采集：

机器人本体在管廊内边运行边使用光电探测器和里程计测量两个定位孔之间的间距

得到距离数列片段

将此片段和数据库存储的标定时的数列{L₁,L₂,...,L_n}比对，找到匹配的片段，即可找到机器人本体在轨道上的相对位置；

位置匹配：

机器人本体在高速运行下，根据实际测量间距和标定间距存在误差，设单次孔位间距测量误差为ΔL_i；则得到机器人本体实际运行间距和标定间距的关系；

遍历匹配完所有的点后，最大匹配度R₀(i)所对应的位置即为匹配位置；

位置修正：

里程计累积输出位置和标定位置对比，得到累积误差ΔL_i，到达光电定位孔后将机器人本体绝对位置修正为光电定位孔标定位置，从而消除误差ΔL_i。

10.根据权利要求9所述的轨道式巡检机器人定位编码定位方法，其特征在于，所述位置匹配，机器人本体实际运行间距和标定间距的关系如下：

则匹配时采用如下匹配相似度算法：

式中，R₀(i)为匹配到第i个点时，标定定位孔间距序列和巡检时轨道孔位间距序列的相似度；N为对比的序列长度；i＝1,…,n-j为遍历匹配到的第i个点。

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