CN113703456A - 一种基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明特别涉及一种基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法。该基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法，基于激光雷达、惯性测量单元IMU和轮式里程计实现，先以充电桩位置为起点对工作环境进行建图；然后根据机器人对工作环境建好的地图进行机器人定位，获取机器人与充电桩的相对位置；最后调用机器人自主回桩充电程序，对转向角和行进距离进行计算；并根据计算结果进行机器人运动的转向角和行进距离的调节与控制，使机器人移动至充电桩位置进行自动充电。该基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法，简单高效，易于实现，无需人工干预，使机器人在电量即将耗尽时能够自动回到充电桩进行充电，提高了机器人自动化水平，适于推广应用。

Description

一种基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法
技术领域
本发明涉及智能机器人应用技术领域，特别涉及一种基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法。
背景技术
随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。
随着机器人技术的普及，机器人正被广泛应用于人们的生活中。目前机器人的动力主要由蓄电池提供，随着人们对机器人自动化要求的提高，机器人在电量即将耗尽时能够自动回到充电桩进行充电是提高机器人自动化水平必然要求。
基于这一情况，本发明提出了一种基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种简单高效的基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法，其特征在于：基于激光雷达、惯性测量单元IMU(Inertial measurement unit)和轮式里程计实现，包括以下步骤：
第一步，确定机器人充电桩位置，并以充电桩位置为起点对工作环境进行建图；
第二步，根据机器人对工作环境建好的地图进行机器人定位，获取机器人与充电桩的相对位置；
第三步，调用机器人自主回桩充电程序，对转向角和行进距离进行计算；并根据计算结果进行机器人运动的转向角和行进距离的调节与控制，使机器人移动至充电桩位置进行自动充电。
所述第一步中，采用激光SLAM(Simultaneous Localization And Mapping，同步定位与建图)方法对工作环境进行建图。
所述第一步中，以充电桩位置为地图原点，以充电桩正面朝向为y轴建图。
所述第二步中，利用激光雷达获取机器人与充电桩的相对位置，实现机器人的实时定位。
所述第三步中，先对转向角进行计算，并根据计算结果发布转向速度指令调整机器人行进方向，使其朝向y轴的方向移动；移动到x＝0的位置后调整运动方向至y轴的正方向，对移动距离进行计算，根据计算结果直线移动至充电桩位置即可。
所述第三步中，惯性测量单元IMU根据机器人与充电桩的相对位置对转向角进行计算。
所述第三步中，轮式里程计根据机器人与充电桩的相对位置对移动距离进行计算。
所述机器人自主回桩充电程序包括定位模块，转向角计算模块，行进距离计算模块和运动模块；
所述运动模块采用PID控制器，所述定位模块采用激光雷达，所述转向角计算模块采用惯性测量单元IMU，所述行进距离计算模块采用轮式里程计。
本发明的有益效果是：该基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法，简单高效，易于实现，无需人工干预，使机器人在电量即将耗尽时能够自动回到充电桩进行充电，提高了机器人自动化水平，适于推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1为本发明基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法示意图。
附图2为本发明基于多传感器的机器人自动回桩充电的建图方法示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分:测量、比较和执行。测量关键的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例(Proportion)、积分(Integral)、微分(Differential)控制，简称PID控制，又称PID调节。
比例P控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
在积分I控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入"积分项"。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
在微分D控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化"超前"，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入"比例"项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而需要增加的是"微分项"，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
惯性测量单元IMU通常指由3个加速度计和3个陀螺仪组成的组合单元，加速度计和陀螺仪安装在互相垂直的测量轴上。
该基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法，基于激光雷达、惯性测量单元IMU(Inertial measurement unit)和轮式里程计实现，包括以下步骤：
第一步，确定机器人充电桩位置，并以充电桩位置为起点对工作环境进行建图；
第二步，根据机器人对工作环境建好的地图进行机器人定位，获取机器人与充电桩的相对位置；
第三步，调用机器人自主回桩充电程序，对转向角和行进距离进行计算；并根据计算结果进行机器人运动的转向角和行进距离的调节与控制，使机器人移动至充电桩位置进行自动充电。
所述第一步中，采用激光SLAM(Simultaneous Localization And Mapping，同步定位与建图)方法对工作环境进行建图。
所述第一步中，以充电桩位置为地图原点，以充电桩正面朝向为y轴建图。
所述第二步中，利用激光雷达获取机器人与充电桩的相对位置，实现机器人的实时定位。
所述第三步中，先对转向角进行计算，并根据计算结果发布转向速度指令调整机器人行进方向，使其朝向y轴的方向移动；移动到x＝0的位置后调整运动方向至y轴的正方向，对移动距离进行计算，根据计算结果直线移动至充电桩位置即可。
所述第三步中，惯性测量单元IMU根据机器人与充电桩的相对位置对转向角进行计算。
所述第三步中，轮式里程计根据机器人与充电桩的相对位置对移动距离进行计算。
所述机器人自主回桩充电程序包括定位模块，转向角计算模块，行进距离计算模块和运动模块；
所述运动模块采用PID控制器，所述定位模块采用激光雷达，所述转向角计算模块采用惯性测量单元IMU，所述行进距离计算模块采用轮式里程计。
该基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法，简单高效，易于实现，无需人工干预，使机器人在电量即将耗尽时能够自动回到充电桩进行充电，提高了机器人自动化水平，适于推广应用。
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 (8)

1.一种基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法，其特征在于：基于激光雷达、惯性测量单元IMU和轮式里程计实现，包括以下步骤：
第一步，确定机器人充电桩位置，并以充电桩位置为起点对工作环境进行建图；
第二步，根据机器人对工作环境建好的地图进行机器人定位，获取机器人与充电桩的相对位置；
第三步，调用机器人自主回桩充电程序，对转向角和行进距离进行计算；并根据计算结果进行机器人运动的转向角和行进距离的调节与控制，使机器人移动至充电桩位置进行自动充电。
2.根据权利要求1所述的基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法，其特征在于：所述第一步中，采用激光SLAM方法对工作环境进行建图。
3.根据权利要求2所述的基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法，其特征在于：所述第一步中，以充电桩位置为地图原点，以充电桩正面朝向为y轴建图。
4.根据权利要求1所述的基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法，其特征在于：所述第二步中，利用激光雷达获取机器人与充电桩的相对位置，实现机器人的实时定位。
5.根据权利要求1所述的基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法，其特征在于：所述第三步中，先对转向角进行计算，并根据计算结果发布转向速度指令调整机器人行进方向，使其朝向y轴的方向移动；移动到x＝0的位置后调整运动方向至y轴的正方向，对移动距离进行计算，根据计算结果直线移动至充电桩位置即可。
6.根据权利要求5所述的基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法，其特征在于：所述第三步中，惯性测量单元IMU根据机器人与充电桩的相对位置对转向角进行计算。
7.根据权利要求5所述的基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法，其特征在于：所述第三步中，轮式里程计根据机器人与充电桩的相对位置对移动距离进行计算。
8.根据权利要求1所述的基于多传感器的机器人自动回桩充电的方法，其特征在于：所述机器人自主回桩充电程序包括定位模块，转向角计算模块，行进距离计算模块和运动模块；
所述运动模块采用PID控制器，所述定位模块采用激光雷达，所述转向角计算模块采用惯性测量单元IMU，所述行进距离计算模块采用轮式里程计。
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