CN114001732A - 一种移动机器人仿形内壁行走导航方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种移动机器人仿形内壁行走导航方法及系统，Z轴为机器人的上下方向轴，获取机器人Z轴角速度、Z轴偏转角以及设置在机器人一侧的多个点激光传感器测得的机器人到内壁的距离根据获取的机器人到内壁的距离得到机器人偏移角度；根据获取的偏移角度、Z轴角速度和Z轴偏转角，得到用于移动机器人舵轮控制的转向调整角度和转向角速度；本发明采用多点激光获取数据进行导航的方法，具有运行精度高、运行速度快和运行稳定的特点，能够满足一次运行就完成所有检测，无需多次运行，极大的提高了隧道检测的效率。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人技术领域，特别涉及一种移动机器人仿形内壁行走导航方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
目前传统的移动机器人在导航技术领域的方式是磁导航、二维码导航和激光导航，存在问题是都需要提前对使用场景进行前期铺磁条、二维码等，提前建立地图，提前规划路径。
发明人发现，在隧道检测运行场景中，由于隧道一直都在使用中，不能满足提前创建地图和路径规划的条件，同时隧道检测的使用频率较低，提前建立地图和规划路径对人力物力和财力产生很大的浪费，所以传统的导航方法在此领域不适用。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种移动机器人仿形内壁行走导航方法及系统，采用多点激光获取数据进行导航的方法，具有运行精度高、运行速度快和运行稳定的特点，能够满足一次运行就完成所有检测，无需多次运行，极大的提高了隧道检测的效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种移动机器人仿形内壁行走导航方法。
一种移动机器人仿形内壁行走导航方法，设定Z轴为机器人的上下方向轴；
包括以下过程：
获取机器人Z轴角速度、Z轴偏转角以及设置在机器人一侧的多个点激光传感器测得的机器人到内壁的距离；
根据获取的机器人到内壁的距离得到机器人偏移角度；
根据获取的偏移角度、Z轴角速度和Z轴偏转角，得到用于移动机器人舵轮控制的转向调整角度和转向角速度。
进一步的，获取多个点激光传感器测得的机器人到内壁的距离，对距离数据进行指数滤波，线性拟合出隧道内壁以车体坐标系中的一条直线，用于偏移角度的计算。
根据机器人尺寸，得到机器人最前端点激光传感器和最后端点激光传感器之间的第三距离；
根据机器人尺寸和车体坐标系，计算得到机器人最前端点激光传感器在车体坐标系中距离为第一距离，最后端点激光传感器在车体坐标系中距离为第二距离，根据第一距离和第二距离的距离差值与第三距离的比值得到偏移角度。
进一步的，Z轴偏转角减去偏移角度得到角度差值，所述角度差值为移动机器人的目标调整角度。
更进一步的，机器人前后两个舵轮的转向电机的转向调整角度为目标调整角度的一半。
更进一步的，如果目标调整角度为正值，前舵轮转向电机向右转，后舵轮转向电机向左转；如果目标调整角度为负值，前舵轮转向电机向左转，后舵轮转向电机向右转。
进一步的，转向角速度为Z轴角速度。
本发明第二方面提供了一种移动机器人仿形内壁行走导航系统。
一种移动机器人仿形内壁行走导航系统，设定Z轴为机器人的上下方向轴，包括：
数据获取模块，被配置为：获取机器人Z轴角速度、Z轴偏转角以及设置在机器人一侧的多个点激光传感器测得的机器人到内壁的距离；
偏移角度计算模块，被配置为：根据获取的机器人到内壁的距离得到机器人偏移角度；
导航控制模块，被配置为：根据获取的偏移角度、Z轴角速度和Z轴偏转角，得到用于移动机器人舵轮控制的转向调整角度和转向角速度。
本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的移动机器人仿形内壁行走导航方法中的步骤。
本发明第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的移动机器人仿形内壁行走导航方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所述的方法、系统、介质或电子设备，采用多点激光获取数据进行导航的方法，具有运行精度高、运行速度快和运行稳定的特点，能够满足一次运行就完成所有检测，无需多次运行，极大的提高了隧道检测的效率。
2、本发明所述的方法、系统、介质或电子设备，通过多个点激光数据把隧道内部的数据拟合出来，所述滤波方法，可以有效降低隧道内壁凸出和凹陷导致的内壁曲线的干扰。
3、本发明所述的方法、系统、介质或电子设备，通过陀螺仪获得机器人实时位姿，提高了移动机器人的运行的精度。
4、本发明所述的方法、系统、介质或电子设备，可以提高移动机器人的运行效率，提高移动机器人的仿形定位精度，简单实用、操作简单，能够实现即时运行，无需提前操作。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的点激光器的布局示意图。
图2为本发明实施例1提供的应用场景示意图。
图3为本发明实施例1提供的计算模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
本发明实施例1提供了一种移动机器人仿形内壁行走导航方法，移动机器人车体安装陀螺仪和点激光传感器，建立移动机器人车体模型。陀螺仪实时获取机器人的Z轴角速度和Z轴偏转角。点激光传感器返回车体与隧道内壁的距离数据，建立移动机器人导航算法数学模型。通过建立数学模型计算得出车体与隧道内壁的偏角，根据偏角得出机器人需要调整的角度数据，与陀螺仪的偏转角作对比，通过PID算法计算的出移动机器人驱动单元的行走速度和转向角度和角速度，精确控制移动机器人仿形隧道内壁行走。
具体的，包括：
如图1所示，在移动机器人车体中心设计有陀螺仪，陀螺仪实时检测车体的Z轴偏转角和Z轴角速度ω，在车体右侧均匀分布有5个点激光传感器。
可以理解的，在其他一些实施方式中，在车体的右侧也可以均匀的分布更多个或者更少个点激光传感器，如2个、3个、4个或者6个或者更多个，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择，这里不再赘述。
如图2所示，移动机器人在隧道内沿着内壁行走，5个点激光传感器实时检测与隧道内壁的距离，获取点激光检测的距离后，先进行指数滤波，线性拟合出隧道内壁以车体坐标系中的一条直线。
如图3所示，根据直线模型计算得出车体与隧道的偏角θ＝arctan(d/D)，根据陀螺仪的Z轴偏转角减去偏移角度θ得出差值Δθ作为移动机器人的目标调整角度。
本实施例中，设定移动机器人的前方为X正方向，移动机器人右方向为Y轴正方向，垂直XY平面向下为Z轴正方向。
可以理解的，X正方向也可以是移动机器人的后方，Y轴正方向也可以是移动机器人的左方向，Z轴正方向也可以是XY平面向上，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择，这里不再赘述。
控制前后两个舵轮的转向电机的调整角度为Δθ/2，转向角速度为陀螺仪检测到的Z轴角速度ω，转向电机的方向为Δθ的正负。
如果Δθ为正值，前舵轮转向电机向右转，后舵轮转向电机向左转；如果Δθ为负值，前舵轮转向电机向左转，后舵轮转向电机向右转，从而实现控制移动机器人沿着隧道内壁以固定距离行走的目标。
实施例2：
本发明实施例2提供了一种移动机器人仿形内壁行走导航系统，设定Z轴为机器人的上下方向轴，包括：
数据获取模块，被配置为：获取机器人Z轴角速度、Z轴偏转角以及设置在机器人一侧的多个点激光传感器测得的机器人到内壁的距离；
偏移角度计算模块，被配置为：根据获取的机器人到内壁的距离得到机器人偏移角度；
导航控制模块，被配置为：根据获取的偏移角度、Z轴角速度和Z轴偏转角，得到用于移动机器人舵轮控制的转向调整角度和转向角速度。
所述系统的工作方法与实施例1提供的移动机器人仿形内壁行走导航方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本发明实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例1所述的移动机器人仿形内壁行走导航方法中的步骤。
实施例4：
本发明实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例1所述的移动机器人仿形内壁行走导航方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)
1.一种移动机器人仿形内壁行走导航方法，其特征在于：
Z轴为机器人的上下方向轴，包括以下过程：
获取机器人Z轴角速度、Z轴偏转角以及设置在机器人一侧的多个点激光传感器测得的机器人到内壁的距离；
根据获取的机器人到内壁的距离得到机器人偏移角度；
根据获取的偏移角度、Z轴角速度和Z轴偏转角，得到用于移动机器人舵轮控制的转向调整角度和转向角速度。
2.如权利要求1所述的移动机器人仿形内壁行走导航方法，其特征在于：
根据机器人最前端点激光传感器测得的第一距离和最后端点激光传感器测得的第二距离，得到第一距离和第二距离的距离差值；
根据机器人尺寸，得到机器人最前端点激光传感器和最后端点激光传感器之间的第三距离，根据距离差值与第三距离的比值得到偏移角度。
3.如权利要求1所述的移动机器人仿形内壁行走导航方法，其特征在于：获取多个点激光传感器测得的机器人到内壁的距离，对距离数据进行指数滤波，线性拟合出隧道内壁以车体坐标系中的一条直线，用于偏移角度的计算；
根据机器人尺寸，得到机器人最前端点激光传感器和最后端点激光传感器之间的第三距离；
根据机器人尺寸和车体坐标系，计算得到机器人最前端点激光传感器在车体坐标系中距离为第一距离，最后端点激光传感器在车体坐标系中距离为第二距离，根据第一距离和第二距离的距离差值与第三距离的比值得到偏移角度。
4.如权利要求1所述的移动机器人仿形内壁行走导航方法，其特征在于：
Z轴偏转角减去偏移角度得到角度差值，所述角度差值为移动机器人的目标调整角度。
5.如权利要求4所述的移动机器人仿形内壁行走导航方法，其特征在于：
机器人前后两个舵轮的转向电机的转向调整角度为目标调整角度的一半。
6.如权利要求5所述的移动机器人仿形内壁行走导航方法，其特征在于：
如果目标调整角度为正值，前舵轮转向电机向右转，后舵轮转向电机向左转；如果目标调整角度为负值，前舵轮转向电机向左转，后舵轮转向电机向右转。
7.如权利要求1所述的移动机器人仿形内壁行走导航方法，其特征在于：
转向角速度为Z轴角速度。
8.一种移动机器人仿形内壁行走导航系统，其特征在于：
Z轴为机器人的上下方向轴，包括：
数据获取模块，被配置为：获取机器人Z轴角速度、Z轴偏转角以及设置在机器人一侧的多个点激光传感器测得的机器人到内壁的距离；
偏移角度计算模块，被配置为：根据获取的机器人到内壁的距离得到机器人偏移角度；
导航控制模块，被配置为：根据获取的偏移角度、Z轴角速度和Z轴偏转角，得到用于移动机器人舵轮控制的转向调整角度和转向角速度。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的移动机器人仿形内壁行走导航方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的移动机器人仿形内壁行走导航方法中的步骤。
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