CN114474163B

CN114474163B - 一种轨道机器人实时定位方法、装置及系统

Info

Publication number: CN114474163B
Application number: CN202210353219.4A
Authority: CN
Inventors: 刘甲宾; 敖奇; 呼延鹏; 王福闯; 麻孟超
Original assignee: CRSC Research and Design Institute Group Co Ltd
Current assignee: CRSC Research and Design Institute Group Co Ltd
Priority date: 2022-04-06
Filing date: 2022-04-06
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2042-04-06
Also published as: CN114474163A

Abstract

本发明提供一种轨道机器人实时定位方法、装置及系统。方法包括：控制轨道机器人实时定位装置的两个触头分别与固定在轨道上的滑线变阻器的电阻丝本体和与所述电阻丝本体并行的地线接触；通过所述触头采集滑线变阻器的电性参数，所述电性参数为电压或电阻；根据电性参数确定轨道机器人实时定位装置的位置。本发明的延轨道铺设的线性滑线变阻器电阻丝本体和轨道机器人实时定位装置的触头过程电阻分压式采集结构，能够基于电阻分压实现定位。

Description

一种轨道机器人实时定位方法、装置及系统

技术领域

本发明属于轨道监控领域，特别涉及一种轨道机器人实时定位方法、装置及系统。

背景技术

轨道机器人是依赖于轨道行走的机器人。机器人工作内容是针对设备、装置进行特征信息采集或者操作，由于设备、装置位置固定，于是机器人根据被采集、被操作对象的位置设定工作内容。因此机器人工作过程中必须精确知道自己的位置。

当前普遍使用的轨道机器人定位方式为：以电机编码器为基础，在校准点以二维码、条形码、磁感应、射频卡等辅助定位中的一种或多种辅助修正。即机器人根据伺服电机编码器记录电机旋转角度，再结合定位轮的轮径计算当前位置；同时在轨道关键点设置辅助定位标识作为校准点，机器人在通过校准点时读取辅助定位标识信息，以修正通过编码器计算所得位置的偏差。

此定位方法中除去编码器累计误差外，机器人在轨道走行过程中出现定位轮打滑或者卡滞时，根据编码器计算所得机器人位置会出现偏差；同时，机器人在轨道任意位置启动后无法确定自身位置，必须运动经过一个校准点才能确定自身位置。即，机器人的初始位置无法确定。

因此，亟需一种精准、实时的轨道机器人定位方案。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种轨道机器人实时定位方法，包括：

控制轨道机器人实时定位装置的两个触头分别与固定在轨道上的滑线变阻器的电阻丝本体和与所述电阻丝本体并行的地线接触；

通过所述触头采集滑线变阻器的电性参数，所述电性参数为电压或电阻；

根据电性参数确定轨道机器人实时定位装置的位置。

进一步地，控制轨道机器人实时定位装置的两个触头分别与固定在轨道上的滑线变阻器的电阻丝本体和与所述电阻丝本体并行的地线接触包括：

控制所述触头可伸缩地始终与所述电阻丝本体接触。

进一步地，方法还包括：

控制轨道机器人实时定位装置的运动机构沿着所述电阻丝本体与地线之间的间隙槽运动。

进一步地，通过所述触头采集滑线变阻器的电性参数包括：

通过设置轨道机器人实时定位装置中的采集器采集电性参数。

进一步地，根据电性参数确定轨道机器人实时定位装置的位置包括：

获取表征电阻丝本体的长度与电性参数之间关系的比例因子；

根据实时采集的所述电性参数、电阻丝本体的末尾端电性参数和所述比例因子确定所述位置。

进一步地，包括：

按照指定周期采集所述轨道机器人实时定位装置的加速度和所述电性参数；

根据当前时钟计数、第一数量和所述加速度确定所述位置；

其中，每个完整的指定周期包含第一数量的时钟计数。

本发明还提供一种轨道机器人实时定位装置，包括：触头和运动机构，

所述运动机构用于实现所述轨道机器人实时定位装置沿轨道方向运动；

所述触头设置两个，分别用于与固定在轨道上的滑线变阻器的电阻丝本体和与所述电阻丝本体并行的地线接触，并采集滑线变阻器的电性参数；

所述电性参数用于确定轨道机器人实时定位装置的位置。

进一步地，

所述触头能够伸缩。

进一步地，装置包括：采集器，

所述采集器内设置与触头相应的导向槽；

所述触头部分地嵌入在导向槽中，且能够在导向槽中伸缩。

进一步地，装置包括：

所述导向槽内设置有压力弹簧，所述触头嵌入滑槽的部分与压力弹簧相抵触。

进一步地，所述运动机构包括滑轮；

所述滑轮能够嵌入到所述电阻丝本体与地线之间的间隙槽中，沿着所述间隙槽运动。

进一步地，装置还包括：

加速度传感器，用于采集所述轨道机器人实时定位装置的加速度。

本发明还提供一种轨道机器人实时定位系统，包括：

如上述的轨道机器人实时定位装置和固定在轨道上的滑线变阻器的电阻丝本体。

装置还包括：

与所述电阻丝本体并行且固定在所述轨道上的地线。

进一步地，所述电阻丝本体和所述地线固定在轨道侧面或底面。

进一步地，所述轨道侧面或底面上设置沿轨道方向的两个固定槽；

所述电阻丝本体和所述地线分别设置在两个固定槽中；

两个固定槽之间形成间隙槽。

本发明的延轨道铺设的线性滑线变阻器电阻丝本体和轨道机器人实时定位装置的触头过程电阻分压式采集结构，能够基于电阻分压实现定位。本方案不需要里程计，从而杜绝了当轮胎打滑、卡滞等造成的定位偏差；本方案机器人行程范围内任何位置启动即可实时采集特征数据并计算出当前位置，无需运动过校准点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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一简单地介绍，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。

图1示出了根据本发明实施例的一种轨道机器人实时定位装置及系统结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的固定槽结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的滑线变阻器的电阻丝本体的结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例的一种轨道机器人实时定位装置的触头结构示意图；

图5示出了根据本发明实施例的一种轨道机器人实时定位装置的触头内部结构示意图；

图6示出了根据本发明实施例的一种轨道机器人实时定位系统的电路结构示意图。

附图标记说明：

轨道机器人实时定位装置-1、触头-11、采集触头-111、参考地线触头-112、运动机构-12、滑轮-121、采集器-13、导向槽-131、壳体-132、压力弹簧-133、底盘-14、微控制器-141、加速度传感器-142、电阻丝本体-2、漆包电阻丝-21、PVC骨架-22、地线-3、轨道-4、电源5、固定槽6。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。

为了解决轨道机器人实时精准定位问题，本发明实施例提供一种轨道机器人实时定位方法（简称定位方法），包括：控制轨道机器人实时定位装置的触头与固定在轨道上的滑线变阻器的电阻丝本体接触；通过触头采集滑线变阻器的电性参数；根据电性参数确定轨道机器人实时定位装置1的位置。

不失一般性地，本发明实施例的实时定位方法能够通过本发明实施例提供的一种轨道机器人实时定位装置（简称定位装置）来实现。进一步地，本发明实施例提供的轨道机器人实时定位装置能够应用在本发明实施例的轨道机器人实时定位系统（简称定位系统）中，实现轨道机器人的实时精准定位。但不限制本发明的实时定位方法必须使用本发明实施例的轨道机器人实时定位装置，也不限制本发明轨道机器人实时定位装置的应用场景。

首先，结合附图对本发明实施例的轨道机器人实时定位装置及系统进行说明。

本发明提供一种轨道机器人实时定位装置，能够与设置在轨道上的滑线变阻器的电阻丝本体相配合，形成轨道机器人实时定位系统，如图1所示。

如图1所示，系统包括轨道机器人实时定位装置1和绝缘固定在轨道上的滑线变阻器的电阻丝本体2以及与电阻丝本体2并行（投影平行）的地线3。其中，电阻丝本体2和地线3固定在轨道4侧面或底面。轨道4为普通轨道机器人走行所用的轨道4，本发明实施例中的轨道4主要以挂轨为例进行说明，但不限制将本发明实施例的定位方法和定位装置1应用于普通的地面轨道中，当应用于挂轨时，能够电阻丝本体2和地线3设置在轨道地面。并且，电阻丝本体2和地线3的延伸方向与轨道4方向，即轨道4延伸方向一致，均可以为直线延伸或曲线延伸。

在另外的实施例中，也可以仅将电阻丝本体2固定在轨道4上，通过地线3连接在电阻丝本体2两端形成回路。则，定位装置1的触头11也只需要设置与电阻丝本体2相适应的一个触头11。本发明实施例优选地在轨道4上设置并行的电阻丝本体2和地线3，能够提高分压测量的精度，避免电压标准电位不准的问题。

电阻丝本体2和并行的地线3起始端分别连接到电源5的正负极，末尾端短接形成线性滑线变阻器回路结构。电源5为能够定位系统提供稳定电压的恒压源。

具体地，在轨道4侧面（一侧或两侧，本发明实施中只需要设置一侧）或底面上设置沿轨道4方向的两个固定槽6，将电阻丝本体2和地线3分别设置不同的固定槽6中，两个固定槽6之间形成间隙槽。示例性地，固定槽6的结构如图2所示，为凹槽。电阻丝本体2嵌入在轨道4下方或者侧方延轨道4等长铺设的固定槽6内，固定电阻丝本体2两端即可。电阻丝本体2采用漆包电阻丝，电阻丝紧密缠绕在可热弯、可焊接的PVC骨架22上，采集面做去漆和平滑处理，电阻丝本体2结构如图3所示。地线3采用线性良导体且采集面平滑，嵌入与电阻丝本体2的固定槽6并行的另一固定槽6内，其末尾端与电阻丝本体2的末尾端短接。

如图1所示，本发明实施例的一种轨道机器人实时定位装置1包括：触头11和运动机构12；运动机构12为机器人提供动力，实现轨道机器人实时定位装置1沿轨道4方向运动；触头11用于与固定在轨道上的滑线变阻器的电阻丝本体2接触，并采集滑线变阻器的电压，通过采集的电性参数能够确定轨道机器人实时定位装置1的位置。

优选地，在钢轨的一个侧面固定设置电阻丝本体2和并行的地线3。相应地，触头11设置两个，分别用于与固定在轨道4上的滑线变阻器的电阻丝本体2和与所述电阻丝本体2并行的地线3接触。

定位装置1包括采集器13，触头11的一部分嵌入采集器13内，如图4所示。采集器13内设置与触头11相应的导向槽131，如图5所示，触头11部分地嵌入在导向槽131中，且能够在导向槽131中伸缩。即，触头11的一端嵌入导向槽131，另一端伸出采集器13的壳体132，用于接触导体（电阻丝本体2和地线3等）。具体地，当轨道4上设置一个触头11用以接触电阻丝本体2时，设置一个导向槽131，当轨道4上还固定设置了并行的地线3时，设置两个触头11。

如图1所示，采集器13相对于电阻丝本体2和地线3方向垂直安装。采集器13的外部为壳体132，壳体132内设置两个隔离绝缘的导向槽131，分别用于安装两个触头11，即采集触头111和参考地线触头112，如图4所示。

本发明实施例对触头11的伸缩控制方式不做限定，例如，可以用电机（例如直线电机）控制触头11伸缩。优选地，导向槽131内设置有压力弹簧133，触头11嵌入滑槽的部分与压力弹簧133相抵触，触头11在被压缩到合适的位置能保持对外的反作用力。采用压力弹簧133的控制方式，能够使得定位装置1被安装在轨道4上时，触头11与电阻丝本体2等形成持续挤压，从而触头11与导通始终可以良好接触。当轨道4为弯曲形状时，设置有压力弹簧133的采集器13，能够灵活地适应轨道4形状变化，保持触头11在运动过程中持续接触，又不至于有过大的挤压和磨损，且结构和控制方式简单。

运动机构12包括滑轮121，滑轮121能够嵌入到电阻丝本体2与地线3之间（即两个固定槽6之间）的间隙槽中，沿着所述间隙槽运动。通过相匹配的间隙槽和滑轮121，能够提高定位装置1运动的稳定性。在另外的实施例中，也可以采用一个滑槽与轨道4底面形成容纳滑轮121的槽。运动机构12设置两个滑轮121，跨接在轨道两侧，通过固定间距的滑轮121，将定位装置1夹持在轨道4上，每个滑轮121都有配套的减震机构，以方便轨道转弯时能适应两侧与轨道距离的变动。采集器13设置在侧板上，侧板固定在底盘14上。当滑轮121夹持在轨道4上时，采集器13上的触头11弹性抵触电阻丝本体2。

定位装置1还包括底盘14，用于连接运动机构12和采集器13，并用于承载微控制器141、加速度传感器142，还用于承载或连接机器人。其中，采集器13为高精度AD（模拟信号转化为数字信号）采集器13，在采集器13的壳体132内固定设置芯片；微控制器141具备定时功能和通信功能，用于接收高精度AD采集器和加速度传感器142的采集数据，处理运算并最终提供定位装置1的当前位置信息，即机器人工作时的当前位置信息。加速度传感器142用于采集所述轨道机器人实时定位装置1的加速度。加速度传感器142实时提供定位装置1的加速度信息，由于轨道机器人延轨道方向运动，即可以考虑其运动为线性运动，选择单轴加速度传感器142即可。加速度传感器142安装时要保证传感器正方向与轨道4始终并行，即安装在与轨道固定的距离且整个运动过程与轨道4切线方向保持一致。

轨道4两端还分别设置限位开关，限位开关用于提供机器人到达轨道两端的位置信息。

下面结合上述定位装置1和定位系统，对本发明实施例的定位方法进行详细说明。

将定位装置1卡接在轨道4两侧，使得轨道机器人实时定位装置1的两个触头11分别与固定在轨道4上的滑线变阻器的电阻丝本体2和与所述电阻丝本体2并行的地线3接触。并且在定位装置1带动轨道机器人运动过程中，触头11可伸缩地始终与电阻丝本体2接触。

通过微控制器141控制运动机构12运行，运动机构12运动过程中，定位装置1的运动机构12的滑轮121沿着电阻丝本体2与地线3之间的间隙槽运动，具体为，沿着两个固定槽6运动。

无论是运动状态下还是静止状态下，都可以通过微控制器141通过触头11采集滑线变阻器的电性参数，具体地，微控制器141与设置触头11的采集器13连接，通过采集器13采集触头11处的电性参数后发送到微控制器141。

微控制器141通过以下方式确定定位装置1即机器人的位置：获取表征电阻丝本体2的长度与电性参数之间关系的比例因子；根据实时采集的电性参数、电阻丝本体2的末尾端电性参数和比例因子确定位置：确定采集电性参数与电阻丝本体2的末尾端电性参数的差值，将所述差值乘以比例因子得到位置距离尾端的第一距离，再根据电阻丝本体2的长度与第一距离的差值，确定位置。

进一步地，按照指定周期采集所述轨道机器人实时定位装置的加速度和电性参数；根据当前时钟计数、第一数量和所述加速度确定所述位置；其中，每个完整周期包含第一数量的时钟计数。具体地，获取最近一次中断时的位置；根据指定周期的时钟周期、当前时钟技术和第一数量，确定当前时刻与最近一次中断时刻的时间差；根据时间差、最近一次中断时的速度和加速度，确定当前速度；根据当前速度近似计算时间差内的走行距离；根据最近一次中断时的位置和走行距离确定当前位置。

本发明实施例中，延轨道安装等长线性滑线变阻器电阻丝本体2和并行的地线3，在定位装置1中设置分别接触电阻丝本体2和地线3的触头11，运用线性滑线变阻器电性参数和相对位置的比例关系，通过采集当前位置电性参数计算机器人在轨道4上的相对位置。下面对于根据电性参数确定位置的过程进行示例性说明。

通过轨道4两端分别设置限位开关触发定位装置1执行校准采集，并为定位装置1提供校准数据，以执行系统校准。

系统校准：首先控制定位装置1缓慢向轨道4起始端运动，待机器人触发轨道4起始端限位开关后，采集并记录起始端数据（即电性参数）

，然后控制控制机器人缓慢向轨道4末尾端运动，待机器人触发轨道4末尾端限位开关后，采集并记录末尾端数据

，测量轨道4实际长度L，则单位步长采集比例因子为

（1）。

采集原理：定位装置1采用线性滑线变阻器原理，由轨道4上线性滑线变阻器电阻丝本体2和并行地线3通过末尾端短接形成线性滑线变阻器电阻丝，由高精度AD采集器的触头11作为线性滑线变阻器的滑片，运用线性滑线变阻器的电阻和相对位置的比例关系计算滑片的相对位置，从而确定机器人相对轨道4的位置。

根据欧姆定律，为方便采集，引入电源5，将电阻值与长度比例关系转换为电性参数与长度比例关系，电源5正负极分别连接线性滑线变阻器电阻丝本体2的起始端和地线3的起始端。

如图6所示，记电阻丝本体2的起始端为A、末尾端为B，机器人在轨道4上的C点，点C距离轨道4起始位置A距离为d。

由于滑线变阻器电阻丝本体2和地线3均为线性电阻，其中各段阻值与长度成等比关系，即

（2）；

又因为整个电路为串联电路，电流I一致，由欧姆定律

，得

（3）；

由AD采集器采集数据与电压之间关系

（4）；

由式（1），式（2），式（3）可得：

，即：

，

联合式（1）得式：

（5）。

系统安装完毕后首先创建配置文件，测量轨道4长度L并记录于配置文件；然后进行系统校准，在配置文件添加轨道4（电阻丝本体2）起始端采集数据

、末尾段采集数据

以及根据式（1）获取的比例因子

；

每次上电初始化、自检；

读取高精度AD采集器的值，记录为

;

根据式（5）计算当前位置

，清零机器人速度

，加速度

；

微控制器按照指定周期循环中断时钟，具体地，设置定时周期为T1，每周期循环中断时钟，每个完整的指定周期包含第一数量的时钟计数。设置定时时钟T1中包括从0开始递增的时钟，最大计数值即第一数量为

；

每到T1中断，读取加速度传感器数据，记录前进方向上的加速度a，计算当前速度

，其中，

为上周期中断时的速度。

在中断过程中，还读取高精度AD采集器的采集的电压，按照式（5）计算最近一次中断时刻的位置：

，同时记录当前速度

；

设任意时刻t的时钟计数为

，则任意时刻机器人位置

；

当机器人前进过程中接近末尾端B或者后退过程中接近起始端A时，控制定位装置1按照距离递减速度，避免运动速度太高，不能及时制动定位装置1，定位装置1冲出轨道，造成不必要的损失。

本发明实施例的定位方案采用延轨道铺设的线性滑线变阻器电阻丝本体2、并行地线3和机器人本体携带采集触头11形成电阻分压式结构，能够实现精准定位。本方案不需要里程计，从而杜绝了当轮胎打滑、卡滞等造成的定位偏差。并且，机器人行程范围内任何位置启动即可实时采集特征数据并计算出当前位置，无需运动过校准点。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种轨道机器人实时定位方法，其特征在于，包括：

根据电性参数确定轨道机器人实时定位装置的位置；

控制所述触头可伸缩地始终与所述电阻丝本体接触；其中，所述触头部分地嵌入在采集器内的导向槽中，且能够在导向槽中伸缩；

控制轨道机器人实时定位装置的运动机构沿着所述电阻丝本体与地线之间的间隙槽运动；

其中，所述运动机构包括滑轮；

轨道侧面或底面上设置沿轨道方向的两个固定槽；

所述电阻丝本体和所述地线分别设置在两个固定槽中；

两个固定槽之间形成间隙槽；

2.根据权利要求1所述的轨道机器人实时定位方法，其特征在于，通过所述触头采集滑线变阻器的电性参数包括：

3.根据权利要求1或2所述的轨道机器人实时定位方法，其特征在于，根据电性参数确定轨道机器人实时定位装置的位置包括：

4.根据权利要求3所述的轨道机器人实时定位方法，其特征在于，包括：

根据当前时钟计数、第一数量和所述加速度确定所述位置；

其中，每个完整的指定周期包含第一数量的时钟计数。

5.一种轨道机器人实时定位装置，其特征在于，包括：触头和运动机构，

所述电性参数用于确定轨道机器人实时定位装置的位置；

所述触头能够伸缩；

所述定位装置还包括：采集器，

所述采集器内设置与触头相应的导向槽；

所述触头部分地嵌入在导向槽中，且能够在导向槽中伸缩；

所述导向槽内设置有压力弹簧，所述触头嵌入滑槽的部分与压力弹簧相抵触；

所述运动机构包括滑轮；

所述滑轮能够嵌入到所述电阻丝本体与地线之间的间隙槽中，沿着所述间隙槽运动；

其中，轨道侧面或底面上设置沿轨道方向的两个固定槽；

所述电阻丝本体和所述地线分别设置在两个固定槽中；

两个固定槽之间形成间隙槽。

6.根据权利要求5所述的轨道机器人实时定位装置，其特征在于，还包括：

7.一种轨道机器人实时定位系统，其特征在于，包括：

如权利要求5或6所述的轨道机器人实时定位装置和固定在轨道上的滑线变阻器的电阻丝本体。

8.根据权利要求7所述的轨道机器人实时定位系统，其特征在于，还包括：

与所述电阻丝本体并行且固定在所述轨道上的地线。

9.根据权利要求8所述的轨道机器人实时定位系统，其特征在于，

所述电阻丝本体和所述地线固定在轨道侧面或底面。

10.根据权利要求9所述的轨道机器人实时定位系统，其特征在于，

所述轨道侧面或底面上设置沿轨道方向的两个固定槽；

所述电阻丝本体和所述地线分别设置在两个固定槽中；

两个固定槽之间形成间隙槽。