CN113696198B - 一种矿用救援跟随机器人跟随系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器人控制技术领域，具体公开了一种矿用救援跟随机器人跟随系统。包括机器人本体、距离检测模块、跟随策略模块和控制模块，距离检测模块包括三个UWB基站和一个移动标签，其中两个分别对称安装在机器人本体的左右两侧，其余一个安装在机器人本体车头中间位置，三个基站构成等边三角形，实时监测与移动标签之间的距离。跟随策略模块根据三个基站与移动标签之间的距离给出跟随策略，控制模块根据跟随策略控制机器人本体跟随移动标签移动。使得跟随机器人在矿井下灾后的昏暗环境下，能够精准确认被跟随的救援人员的位置，跟随救援人员前进，减少救援人员劳动强度，提高救援效率。

Description

一种矿用救援跟随机器人跟随系统
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，具体涉及了一种矿用救援跟随机器人跟随系统。
背景技术
在煤矿救援领域，救援人员自身需要穿戴防护设备，同时还要搬运各种救援装备以及被困人员，在危险且复杂的救援过程中，传统的搬运方式劳动强度大，效率低，且容易损坏搬运设备。
自主跟随机器人能够帮助救援人员搬运货物，对救援人员进行近距离跟随，解放救援人员双手，降低救援人员的劳动强度，提高搬运效率。而目前机器人的跟随方法有多种，例如超声波处理、红外处理或者是视觉图像处理等。发明人发现，若采用超声波处理方法很难确定跟随特定目标；而采用红外处理有探测距离短，特定目标难确定等问题；而基于图像识别方法在煤矿井下，尤其是灾后昏暗的环境下，并不适用。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种矿用救援跟随机器人跟随系统，能够精准确定救援人员的具体位置，并根据救援人员的位置控制跟随机器人移动。
本发明提供的基础方案：一种矿用救援跟随机器人跟随系统，包括机器人本体，距离检测模块、跟随策略模块和控制模块；
距离检测模块，包括第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站以及移动标签，所述第一UWB基站和第二UWB基站分别对称安装在机器人本体的左右两侧，所述第三UWB基站安装在机器人本体车头中间位置，三个基站构成等边三角形，所述移动标签为人体佩带，各个UWB基站实时检测与移动标签之间的距离；
跟随策略模块，用于根据各个UWB基站与移动标签之间的距离，生成跟随策略；
控制模块，用于根据跟随策略控制机器人本体跟随移动标签移动。
本发明的原理及优点在于：机器人本体通过三个UWB基站检测与移动标签之间的距离，跟随策略模块根据各个UWB基站与移动标签之间的距离制定跟随策略，控制模块根据跟随策略控制机器人本体跟随移动标签移动。相比于现有技术，通过三个UWB基站检测与被跟随人员的距离，在煤矿井下，尤其是灾后昏暗的环境下，也能够精准测量被跟随人员相对于跟随机器人的具体位置，并调整机器人的移动方式，使机器人跟随被跟随人员移动，并且由于UWB基站的脉冲窄、频带宽，所有设备的功耗低，对其他设备的干扰也较小。通过跟随机器人帮助救援人员搬运救援设备，减少救援人员的劳动强度，增加了救援效率。
进一步，所述跟随策略模块包括距离计算模块和距离判断模块；
距离计算模块，用于根据各个UWB基站与移动标签之间的距离计算机器人本体与移动标签之间的水平距离；
距离判断模块，存储有预设的最小跟随距离和最大跟随距离，当机器人本体与移动标签之间的水平距离小于等于最小跟随距离时，控制模块控制机器人本体暂停移动，当机器人本体与移动标签之间的水平距离大于等于最大跟随距离时，控制模块控制机器人本体加速移动。
通过距离计算模块计算出机器人本体与移动标签之间的水平距离，根据距离判断模块预设的最小跟随距离和最大跟随距离与水平距离之间的关系控制机器人本体的行驶状态，防止机器人本体与被跟随人员碰撞，或者是机器人本体跟丢被跟随人员。
进一步，所述跟随策略模块包括角度计算模块，所述角度计算模块用于根据各个UWB基站与移动标签之间的距离计算机器人本体与移动标签之间的夹角角度。
通过各个UWB基站与移动标签之间的距离计算机器人本体与被跟随人员之间的夹角，从而确定被跟随人员的具体方位。
进一步，所述跟随策略模块还包括角度判断模块，所述角度判断模块有预设的偏差容忍角度，当机器人本体与移动标签之间的夹角角度小于偏差容忍度时，控制模块控制机器人本体直行，当机器人本体与移动标签之间的夹角角度大于偏差容忍角度时，控制模块控制机器人本体偏移；
第一UWB基站与移动标签之间的距离大于第二UWB基站与移动标签之间的距离时，控制模块控制机器人左转，第一UWB基站与移动标签之间的距离小于第二UWB基站与移动标签之间的距离时，控制模块控制机器人右转。
预设有偏差容忍角度，当机器人本体与移动标签之间的夹角小于偏差容忍度时，说明被跟随人员在机器人本体前方，行动方向没有发生太大变化，因此控制机器人本体直行。当机器人本体与移动标签之间的夹角大于偏差容忍角度后，说明被跟随人员行动方向发生了变化，控制模块控制机器人本体偏移，并且当安装在左侧的第一UWB基站与移动标签之间的距离大于安装在右侧的第二UWB基站与移动标签之间的距离时，说明移动标签在机器人本体的前方偏右的位置，因此控制机器人本体右转，若小于，则说明移动标签在机器人本体前方偏左的位置，因此控制机器人本体左转，并且本发明通过三个UWB基站进行检测，即使被跟随人员位于跟随机器人的正后方或是偏后方，机器人也能够自行转向并进行跟随，而传统的跟随机器人都是默认被跟随人员在前方，当被跟随人员处于机器人后方时，还需要手动调整机器人的方位才可继续跟随。
进一步，所述跟随策略模块还包括目标移动速度检测模块和速度控制模块；
目标移动速度检测模块，用于检测移动标签的移动速度；
速度控制模块，用于根据移动标签的移动速度设置机器人本体的最大移动速度，移动标签的移动速度越快，机器人本体的最大移动速度越快，所述最大移动速度为，当机器人本体与移动标签之间的距离超过最大跟随距离后，加速所达到的速度最大时的移动速度，并且机器人本体的最大移动速度大于移动标签的移动速度。
检测移动标签的移动速度，根据移动标签的移动速度设置机器人本体的最大移动速度，保证被跟随人员移动速度越快，机器人本体的移动速度越快。
进一步，所述跟随策略模块还包括距离设置模块，所述距离设置模块用于根据移动标签的移动速度改变预设的最大跟随距离和最小跟随距离，当移动标签的移动速度越快，最小跟随距离越大，最大跟随距离越小。
根据移动标签的移动速度设置最大跟随距离和最小跟随距离，当移动标签移动的速度快时，增加最小跟随距离，因为当移动标签移动速度越快，机器人本体的移动速度也越快，其减速的惯性也越大，因此增加最小跟随距离，防止被跟随人员在停止移动后被机器人本体碰撞。当移动标签移动速度快时，减少最大跟随距离，防止机器人本体跟丢被跟随人员。
进一步，所述速度控制模块还用于根据机器人本体与移动标签之间的水平距离设置移动速度，移动速度与水平距离成正比，机器人本体与移动标签之间的水平距离越小，移动速度越慢。
根据机器人本体与移动标签之间的水平距离，均匀改变机器人本体的行驶速度，避免频繁出现急刹车或者急加速的情况，对机器人本体照成损坏。
进一步，还包括警报模块，所述警报模块有预设的超出距离时间，所述警报模块用于当机器人本体与移动标签的水平距离大于最大跟随距离的时间超过超出距离时间时，发出警报。
当机器人本体与移动标签之间的水平距离大于最大跟随距离的时间超过超出距离时间，说明机器人已经跟丢被跟随人员，因此发出警报提示被跟随人员。
进一步，所述UWB基站为本质安全型、隔爆型、增安型中的一种。
防爆，增加使用人员的安全。
附图说明
图1为本发明一种矿用救援跟随机器人跟随系统实施例一的逻辑框图；
图2为本发明实施例UWB基站的分布示意图；
图3为本发明一种矿用救援跟随机器人跟随系统实施例二的逻辑框图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例一基本如附图1所示：
包括距离检测模块、跟随策略模块和控制模块，其中跟随策略模块包括距离计算模块、距离判断模块、角度计算模块以及角度判断模块。
距离检测模块包括三个UWB基站和移动标签，其在机器人本体上的排布方式如图2所述，第一UWB基站和第二UWB基站分别对称安装在机器人本体的左右两侧，第三UWB基站安装在机器人本体车头的中间位置，三个基站构成等边三角形，移动标签为被跟随人员随身佩戴，各个UWB基站实时检测与移动标签之间的距离。UWB基站可以为本质安全型、隔爆型或者是增安型，在本实施例中，UWB基站为本质安全型。
控制模块为安装在机器人本体内的主控制器、电机驱动控制器以及电机，主控制器安装在机器人本体的防爆箱内，有电源为其供电，主控制器与机器人本体上的UWB基站通过光纤进行测距信号传送，主控制器通过CAN总线与电机驱动控制器进行通信，通过对电机驱动控制器发送指令，对电机进行控制，从而改变机器人的移动方式。
距离计算模块根据公式
Figure BDA0003240170330000051
计算移动标签与机器人本体的水平距离，其中S为移动标签与机器人本体的水平距离，d1为第一UWB基站与移动标签之间的距离，d2为第二UWB基站与移动标签之间的距离，d3为第三UWB基站与移动标签之间的距离，ds三个UWB基站所构成的等边三角形的边长。
距离判断模块，有预设的最小跟随距离和最大跟随距离，在本实施中，预设的最小跟随距离为100cm，最大跟随距离为200cm，当计算得到的机器人本体与移动标签之间的水平距离小于等于100cm时，控制模块控制机器人本体暂停移动，当计算得到的机器人本体与移动标签之间的水平距离大于等于200cm时，控制模块控制机器人本体加速移动。
角度计算模块通过公式
Figure BDA0003240170330000052
计算机器人本体与移动标签之间的夹角角度，其中α为机器人本体与移动标签之间的夹角角度，d1为第一UWB基站与移动标签之间的距离，d2为第二UWB基站与移动标签之间的距离，d3为第三UWB基站与移动标签之间的距离。
角度判断模块有预设的误差容忍角度，在本实施例中，预设的误差容忍角度为30°，当计算得到的机器人本体与移动标签之间的夹角角度小于30°时，控制模块控制机器人本体直行，当夹角角度大于30°时，比较第一UWB基站到移动标签之间的距离和第二UWB基站到移动标签之间的距离，当第一UWB基站到移动标签之间的距离大于第二UWB基站到移动标签之间的距离时，说明移动标签位于机器人本体的右前方，控制模块控制机器人本体右转，直到机器人本体与移动标签之间的夹角角度小于30°后，控制机器人本体直行。而当第一UWB基站到移动标签之间的距离小于第二UWB基站之间的距离时，说明移动标签位于机器人本体的左前方，控制模块控制机器人本体左转，直到机器人本体与移动标签之间的夹角角度小于30°后，控制机器人本体直行。
实施例二
实施例二基本如图3所示：
本实施例与实施例一的区别在于，跟随策略模块还包括有目标移动速度检测模块、速度控制模块以及距离设置模块。
目标移动速度检测模块用于检测移动标签的移动速度，速度控制模块根据移动标签的移动速度设置机器人本体的最大移动速度，最大移动速度为机器人本体与移动标签之间的距离超过最大跟随距离后，加速所达到的速度最大时的移动速度，具体的最大移动速度比移动标签的移动速度大0.5m/s，并且速度控制模块还根据机器人本体与移动标签之间的水平距离设置机器人本体的移动速度，具体的，在本实施例中，当机器人本体与移动标签的水平距离为150cm时，设置机器人本体移动速度与移动目标的速度相同，当机器人本体与移动标签的水平距离小于150cm时，距离每缩短10cm，控制机器人本体移动速度减少0.1m/s，当水平距离为100cm时，控制机器人本体暂停。当水平距离大于150cm时，距离每增长10cm，控制机器人本体移动速度增加0.1m/s。当水平距离为200cm时，再次获取移动标签的移动速度，并设置最大移动速度，保持最大移动速度行驶2s后，再根据与移动标签之间的水平距离设置机器人本体移动速度。
距离设置模块，用于根据移动标签的移动速度，设置最小跟随距离和最大跟随距离，且移动标签的移动速度越快，最小跟随距离越大，最大跟随距离越小。具体的，在本实施例中，在移动标签的移动速度为1m/s时，最小跟随距离为100cm，最大跟随距离为200cm，移动标签的移动速度每增长0.1m/s，最小跟随距离增加5cm，最大跟随距离减少5cm，且最小跟随距离达到120cm后便停止增长，最大跟随距离达到180cm后便停止减少。因为当移动目标的移动速度越快，机器人本体的移动速度也越快，减速时的惯性也越大，因此通过增加最小跟随距离，防止机器人本体和被跟随人员发生碰撞。同时减少最大跟随距离，避免机器人本体跟丢被跟随人员。
此外，还包括有警报模块，警报模块有预设的超出距离时间，具体的，在本实施例中为10s，当机器人本体与移动标签之间的距离超出最大跟随距离，且超出的时间超过了10s之后，通过设置在机器人本体上的音响发出提示音。
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种矿用救援跟随机器人跟随系统，其特征在于：包括机器人本体，距离检测模块、跟随策略模块和控制模块；
距离检测模块，包括第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站以及移动标签，所述第一UWB基站和第二UWB基站分别对称安装在机器人本体的左右两侧，所述第三UWB基站安装在机器人本体车头中间位置，三个基站构成等边三角形，所述移动标签为人体佩带，各个UWB基站实时检测与移动标签之间的距离；
跟随策略模块，用于根据各个UWB基站与移动标签之间的距离，生成跟随策略；
控制模块，用于根据跟随策略控制机器人本体跟随移动标签移动；
所述跟随策略模块包括距离计算模块和距离判断模块；
距离计算模块，用于根据各个UWB基站与移动标签之间的距离计算机器人本体与移动标签之间的水平距离；
距离判断模块，有预设的最小跟随距离和最大跟随距离，当机器人本体与移动标签之间的水平距离小于等于最小跟随距离时，控制模块控制机器人本体暂停移动，当机器人本体与移动标签之间的水平距离大于等于最大跟随距离时，控制模块控制机器人本体加速移动；
所述跟随策略模块还包括目标移动速度检测模块和速度控制模块；
目标移动速度检测模块，用于检测移动标签的移动速度；
速度控制模块，用于根据移动标签的移动速度设置机器人本体的最大移动速度，移动标签的移动速度越快，机器人本体的最大移动速度越快，所述最大移动速度为，当机器人本体与移动标签之间的距离超过最大跟随距离后，加速所达到的速度最大时的移动速度，并且机器人本体的最大移动速度大于移动标签的移动速度；
所述跟随策略模块还包括距离设置模块，所述距离设置模块用于根据移动标签的移动速度改变预设的最大跟随距离和最小跟随距离，当移动标签的移动速度越快，最小跟随距离越大，最大跟随距离越小。
2.根据权利要求1所述的一种矿用救援跟随机器人跟随系统，其特征在于：所述跟随策略模块包括角度计算模块，所述角度计算模块用于根据各个UWB基站与移动标签之间的距离计算机器人本体与移动标签之间的夹角角度。
3.根据权利要求2所述的一种矿用救援跟随机器人跟随系统，其特征在于：所述跟随策略模块还包括角度判断模块，所述角度判断模块有预设的偏差容忍角度，当机器人本体与移动标签之间的夹角角度小于偏差容忍度时，控制模块控制机器人本体直行，当机器人本体与移动标签之间的夹角角度大于偏差容忍角度时，控制模块控制机器人本体偏移；
第一UWB基站与移动标签之间的距离大于第二UWB基站与移动标签之间的距离时，控制模块控制机器人左转，第一UWB基站与移动标签之间的距离小于第二UWB基站与移动标签之间的距离时，控制模块控制机器人右转。
4.根据权利要求3所述的一种矿用救援跟随机器人跟随系统，其特征在于：所述速度控制模块还用于根据机器人本体与移动标签之间的水平距离设置移动速度，移动速度与水平距离成正比，机器人本体与移动标签之间的水平距离越小，移动速度越慢。
5.根据权利要求1所述的一种矿用救援跟随机器人跟随系统，其特征在于：还包括警报模块，所述警报模块有预设的超出距离时间，所述警报模块用于当机器人本体与移动标签的水平距离大于最大跟随距离超过超出距离时间时，发出警报。
6.根据权利要求1所述的一种矿用救援跟随机器人跟随系统，其特征在于：所述UWB基站为本质安全型、隔爆型、增安型中的一种。
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