CN115328141A - 矿用轨道机器人路标检测定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矿用轨道机器人路标检测定位系统及方法，属于轨道机器人定位技术领域；所述系统包括矿用轨道机器人和设置在机器人行走轨道一侧的定位标识，以及安装在机器人上的接近开关一、接近开关二、防爆伺服电机、控制器，防爆伺服电机配备有增量编码器、伺服驱动器；所述方法引入路标检测定位系统来消除机器人远距离行驶中的里程定位误差，通过按预设长度沿途设置定位标识，将机器人行驶路径划分为均等几段，机器人可检测到定位标识并判定路标检测定位的正确性，而后通过对比编码器里程值与实际测量值补偿定位误差，继而消除长距离行驶中产生的定位累计误差。

Description

矿用轨道机器人路标检测定位系统及方法

技术领域

本发明属于轨道机器人定位技术领域，具体涉及一种矿用轨道机器人路标检测定位系统及方法。

背景技术

随着煤矿智能化发展，大量智能化矿用机器人被引入到煤矿生产的各个环节，其中矿用轨道机器人凭借体积小、空间利用率高等优势，得到广大用户青睐，应用最为广泛。定位技术是轨道机器人系统的关键技术之一，定位精度与可靠性将直接影响机器人的安全性和运行效率。目前，较为成熟的轨道定位技术有：全球定位(GPS)技术、里程计定位技术、特征视觉识别技术、路标检测定位技术等。

专利“CN201310071279.8一种轨道式移动装置的定位方法”，通过路标检测定位系统实现。移动装置的运行轨道依据预设长度设置多个标定位置，并对标定位置依次编号，包括移动装置目标位置的目的编号与当前位置的编号。移动装置前进当运动时间等于预设移动长度所用时间的整数倍时，获得当前标定位置编号，直到当前位置的标号与目的标号相等，移动装置到达目的地。

专利“CN202010545104.6一种机器人定位装置”，利用一个定位摄像头或多个定位摄像头组合的视角范围覆盖指定的定位范围，实际位置与定位摄像头拍摄图片中的位置预先进行标定，使两者存在对应关系。机器人工作时，计算模块对定位摄像头拍摄的图片进行分析，识别机器人并计算机器人在图片中的位置，通过实际位置与图片位置的对应关系确定机器人的实际位置。

专利“CN201810594133.4一种适用于轨道机器人的定位系统和方法”，利用机器人上搭载光电传感器和增量式编码器，在轨道上设置固定位置的码板，根据码板信息可得到机器人上的实际移动距离，编码器可以实时记录机器人的里程值。处理器可计算出同一时刻下码板对应的实际距离值和里程值的偏差值，依据偏差值对里程值进行调整，可实现对轨道机器人位置信息的矫正。

上述定位技术或方法存在问题如下:

1)GPS定位技术在井下环境无法使用，无法应用到矿用轨道机器人的定位上。

2)单一里程定位技术，由于机器人行走轮打滑等原因会造成定位误差，且随着机器人前进，误差累积加大。

3)视觉定位技术图像采集工作受环境光线等因素制约，不适用于井下巷道等光线不足的使用场所，且图像处理数据运算量大需高性能工控机进行数据处理，成本高。

专利“CN201810594133.4一种适用于轨道机器人的定位系统和方法”中，采用路标检测定位系统与里程计定位技术结合的方式进行机器人定位，虽可以修正里程计定位的累积误差，但在该系统中并无相应措施验证偏差计算的合理性，当定位识别失败时用错误的偏差矫正里程值相反会增大误差。例如在高粉尘的煤矿环境下，严重影响码板的识别而造成定位失败，此时计算的偏差将严重偏离真实值。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种矿用轨道机器人路标检测定位系统及矿用轨道机器人定位方法，旨在修正单纯依靠编码器的里程计定位技术产生的定位误差，实现矿用轨道机器人长距离行驶精准定位。其中，矿用轨道机器人定位方法，引入路标检测定位系统来消除机器人远距离行驶中的里程定位误差，通过按预设长度沿途设置定位标识，将机器人行驶路径划分为均等几段，机器人可检测到定位标识并判定路标检测定位的正确性，而后通过对比编码器里程值与实际测量值补偿定位误差，继而消除长距离行驶中产生的定位累计误差。

一种矿用轨道机器人路标检测定位系统，包括：矿用轨道机器人和设置在机器人行走轨道一侧的定位标识，以及安装在机器人上的接近开关一、接近开关二、防爆伺服电机、控制器，防爆伺服电机配备有增量编码器、伺服驱动器；接近开关一、接近开关二、增量编码器连接控制器的输入端，伺服驱动器连接控制器的输出端。

所述接近开关用于检测定位标识，当接近开关一检测到定位标识时，作为位置积分的起始时刻t₀，触发控制器开始进行位置积分，当接近开关二检测到所述定位标识时，作为位置积分的结束时刻t₁，触发控制器结束进行位置积分，t₀～t₁时间段内的位置积分值s为检测定位标识过程中矿用轨道机器人的移动距离；

所述增量编码器用于对机器人行走轮的行走圈数进行计数；

所述控制器用于根据位置积分结果s、测量值d之比判断标识定位的准确性，其中测量值d为两个接近开关之间的距离。

所述控制器采用西门子S7-1200PLC，增量编码器通过RS485与西门子S7-1200PLC相连，防爆伺服电机由伺服驱动器进行驱动，伺服驱动器通过RS485与西门子S7-1200PLC相连，防爆伺服电机、增量编码器、控制器、伺服驱动器均封装在防爆电控箱内。

一种矿用轨道机器人定位方法，基于所述的矿用轨道机器人路标检测定位系统实现，所述方法包括：

步骤1：当接近开关一检测到定位标识时，控制器触发伺服驱动器控制防爆伺服电机带动机器人减速后以速度v前进；

步骤2：预设编码器里程值范围为[L_min,L_max]，判断编码器里程值M是否在范围[L_min,L_max]内，若超出该范围，停机排查故障，反之执行步骤3；其中，L_min为编码器的最小里程值，L_max为编码器的最大里程值；

步骤3：当接近开关一检测到定位标识时，积分计算开始，当接近开关二检测到同一定位标识时，积分计算结束，t₀～t₁时间段内的位置积分值s表示为：

式中，v表示矿用机器人的行进速度，t表示时刻；

步骤4：计算积分值s与测量值d的距离比

设置距离比的范围为[i_min,i_max]，如果距离比i在范围[i_max,i_max]内，则表明定位成功，其中i_min为距离比的最小值，i_max为距离比的最大值。

所述步骤2判断编码器里程值是否在合理范围内，具体表示为：

当机器人行走到第一个定位标识时，将编码器清零，机器人继续前行到第二个定位标识时的编码里程值M如果在[L_min,L_max]范围内，则表明编码器里程值在合理的范围内；所述编码里程值M表示为：

M＝b/λ*γ*d_s*π

式中，b为编码器的编码值，λ为编码器分辨率，γ为减速比，d_s为轮子直径。

所述步骤4具体表述为：

如果距离比i在范围[i_min,i_max]内，则表明定位成功，定位块块数n_d计数加1，编码器里程值M清零，并计算机器人里程值D，D表示为：

D＝L×n_d+M

若i不在范围[i_min,i_max]内，则表明定位失败，定位次数n_c计数加1，防爆伺服电机反转机器人后退一段距离R，其中R为2倍位置积分值s的距离，然后防爆伺服电机正转机器人前进，返回步骤1重新开始，若失败定位次数超过设定值n₀时，认定存在干扰影响定位。

当机器人后退时，调换接近开关一和接近开关二的安装位置，控制防爆伺服电机反转，后退过程中机器人里程值D’表示为：D’＝L×n_d+M-d。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种矿用轨道机器人路标检测定位系统及矿用轨道机器人定位方法，采用引入路标检测定位系统修正里程定位技术误差的原理对矿用轨道机器人精准定位。其中里程定位技术采用当前主流计数编码器计数原理，路标检测定位系统通过机器人上安装接近开关检测沿机器人行走轨道按预设长度等距分布的定位块获得实际距离，对编码器里程值数据进行逐段修正，继而消除机器人长距离行驶而产生的累计误差。路标检测定位系统的引入可自行判断定位块检测是否成功，避免了因路标检测失败对编码器里程值修正引入更大的二次误差而造成定位失败。

附图说明

图1为本发明中矿用轨道机器人路标检测定位系统原理图；

图2为本发明中矿用轨道机器人的后视图；

图3为本发明中矿用轨道机器人路标检测定位系统的电路原理图；

图4为本发明中矿用轨道机器人定位方法流程图。

图中，1、接近开关一；2、接近开关二；3、定位标识；4、防爆伺服电机；5、防爆电控箱；6、增量编码器；7、控制器；8、伺服驱动器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。矿用轨道机器人由于其使用场景为煤矿环境，对设备本身具有硬性防爆要求，加之煤矿井下高粉尘、低照明等特殊使用环境限制，现有的全球定位(GPS)技术、特征视觉识别技术等依赖于卫星定位、光学图像采集的定位技术均无法应用到矿用轨道机器人上。当前矿用轨道机器人实现定位普遍采用里程计定位技术，通过编码器计数机器人行走轮行走圈数进行换算继而实现定位。该方法的局限点在于，当机器人行走轮发生打滑现象时，编码器计数计算所得的里程值将与机器人实际行驶距离产生偏差，随着机器人不断行驶偏差将不断累积，故而这种技术在机器人远距离行驶的定位应用中误差较大。本发明一种矿用轨道机器人精准定位方法，旨在修正单纯依靠编码器的里程计定位技术产生的定位误差，实现矿用轨道机器人长距离行驶精准定位。

如图1～2所示，一种矿用轨道机器人路标检测定位系统，包括：矿用轨道机器人和设置在机器人行走轨道一侧的定位标识3，以及安装在机器人上的接近开关一1、接近开关二2、伺服电机4、控制器7，防爆伺服电机4配备有增量编码器6、伺服驱动器8；接近开关一1、接近开关二2、增量编码器6连接控制器7的输入端，伺服驱动器8连接控制器7的输出端；

所述接近开关用于检测定位标识，当接近开关一1检测到定位标识3时，作为位置积分的起始时刻t₀，触发控制器7开始进行位置积分，当接近开关二2检测到所述定位标识3时，作为位置积分的结束时刻t₁，触发控制器7结束进行位置积分，t₀～t₁时间段内的位置积分值s为检测定位标识3过程中矿用轨道机器人的移动距离；

所述增量编码器7用于对机器人行走轮的行走圈数进行计数；

所述控制器7用于根据位置积分结果检测值、测量值之比判断标识定位的准确性，其中测量值为两个接近开关之间的距离，检测值为根据两个接近开关先后检测同一个定位标识3的时间段内的路程。

如图1所示，本发明在机器人行走轨道一侧设置一排定位标识3，标识之间间距L。机器人上装有两个能够检测到定位标识3的接近开关一1和接近开关二2，两个接近开关距离为d。机器人行走轮由防爆伺服电机4驱动，控制系统(包括防爆伺服电机4、增量编码器6、控制器7、伺服驱动器8)封装在防爆电控箱5里。

如图3所示，机器人下位机采用西门子S7-1200PLC的控制器7。接近开关一1和接近开关二2将采集到的开关量传输至西门子S7-1200PLC。行走驱动防爆伺服电机4上自带增量编码器6，增量编码器6通过RS485电连到西门子S7-1200PLC上，实现对机器人行走轮行走圈数的计数并将数据上传。防爆伺服电机4由伺服驱动器8进行驱动，其与西门子S7-1200PLC通过RS485电连，两者均封装在防爆电控箱5内。

如图4所示，一种矿用轨道机器人定位方法，基于所述的矿用轨道机器人路标检测定位系统实现，所述方法(以机器人前进过程为例进行说明)包括：

步骤1：当接近开关一检测到定位标识时，控制器触发伺服驱动器控制防爆伺服电机带动机器人减速后以速度v前进；

步骤2：预设编码器里程值范围为[L_min,L_max]，判断编码器里程值M是否在范围[L_min,L_max]内，若超出该范围，停机排查故障，反之执行步骤3；其中，L_min为编码器的最小里程值，L_max为编码器的最大里程值；

所述步骤2判断编码器里程值是否在合理范围内，具体表示为：

当机器人行走到第一个定位标识时，将编码器清零，机器人继续前行到第二个定位标识时的编码里程值M如果在[L_min,L_max]范围内，则表明编码器里程值在合理的范围内；所述编码里程值M表示为：

M＝b/λ*γ*d_s*π

式中，b为编码器的编码值，λ为编码器分辨率，γ为减速比，d_s为轮子直径。

步骤3：当接近开关一检测到定位标识时，积分计算开始，当接近开关二检测到同一定位标识时，积分计算结束，t₀～t₁时间段内的位置积分值s表示为：

式中，v表示矿用机器人的行进速度，t表示时刻；

步骤4：计算积分值s与测量值d的距离比

设置距离比的范围为[i_min,i_max]，如果距离比i在范围[i_min,i_max]内，则表明定位成功，其中i_min为距离比的最小值，i_max为距离比的最大值；所述步骤4具体表述为：

如果距离比i在范围[i_min,i_max]内，则表明定位成功，定位块块数n_d计数加1，编码器里程值M清零，更新机器人里程值D，同时所有置位清零；D表示为：

D＝L×n_d+M

若i不在范围[i_min,i_max]内，则表明定位失败，定位次数n_c计数加1，防爆伺服电机反转机器人后退一段距离R，其中R为2倍位置积分值s的距离，然后防爆伺服电机正转机器人前进，返回步骤1重新开始，若失败定位次数超过设定值n₀时，认定存在干扰影响定位。

当机器人后退时，后退过程中采用本发明方法进行定位，控制原理不变，但是需要调换接近开关一和接近开关二的安装位置，控制防爆伺服电机反转，后退过程中执行上述步骤1～步骤4，此时定位块块数n_d计数减1，机器人里程值D’表示为：D’＝L×n_d+M-d。

以上控制流程中引入编码器里程值的合理范围[L_min,L_max]、距离比的合理范围[i_min,i_max]的判定，能够自动判断路标检测定位的准确性进而保证对编码器里程值修正的正确性。

本发明提供的一种矿用轨道机器人定位方法，采用引入路标检测定位系统修正里程定位技术误差的原理对矿用轨道机器人精准定位，其中里程定位技术采用当前主流计数编码器计数原理，路标检测定位系统通过机器人上安装接近开关检测沿机器人行走轨道按预设长度等距分布的定位块获得实际距离，对编码器里程值数据进行逐段修正，继而消除机器人长距离行驶而产生的累计误差。该发明具有很高的实用性，选用的零部件技术成熟且价格低廉，增量编码器为防爆伺服电机自带编码器，路标定位系统中的采集装置接近开关与金属定位块满足防爆要求，数据采集不受高粉尘、低照明等特殊使用环境影响，整个定位系统安全可靠、造价低、使用寿命长。发明中引入的路标检测定位系统准确性检测机制可自行判断定位块检测是否成功，避免了因路标检测失败对编码器里程值修正引入更大的二次误差而造成定位失败。

Claims (7)

1.一种矿用轨道机器人路标检测定位系统，其特征在于，包括：矿用轨道机器人和设置在机器人行走轨道一侧的定位标识，以及安装在机器人上的接近开关一、接近开关二、防爆伺服电机、控制器，防爆伺服电机配备有增量编码器、伺服驱动器；接近开关一、接近开关二、增量编码器连接控制器的输入端，伺服驱动器连接控制器的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种矿用轨道机器人路标检测定位系统，其特征在于，所述接近开关用于检测定位标识，当接近开关一检测到定位标识时，作为位置积分的起始时刻t₀，触发控制器开始进行位置积分，当接近开关二检测到所述定位标识时，作为位置积分的结束时刻t₁，触发控制器结束进行位置积分，t₀～t₁时间段内的位置积分值s为检测定位标识过程中矿用轨道机器人的移动距离；

所述增量编码器用于对机器人行走轮的行走圈数进行计数；

所述控制器用于根据位置积分结果s、测量值d之比判断标识定位的准确性，其中测量值d为两个接近开关之间的距离。

3.根据权利要求2所述的一种矿用轨道机器人路标检测定位系统，其特征在于，所述控制器采用西门子S7-1200PLC，增量编码器通过RS485与西门子S7-1200PLC相连，防爆伺服电机由伺服驱动器进行驱动，伺服驱动器通过RS485与西门子S7-1200PLC相连，防爆伺服电机、增量编码器、控制器、伺服驱动器均封装在防爆电控箱内。

4.一种矿用轨道机器人定位方法，基于权利要求1～3任意一项所述的矿用轨道机器人路标检测定位系统实现，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：当接近开关一检测到定位标识时，控制器触发伺服驱动器控制防爆伺服电机带动机器人减速后以速度v前进；

步骤2：预设编码器里程值范围为[L_min,L_max]，判断编码器里程值M是否在范围[L_min,L_max]内，若超出该范围，停机排查故障，反之执行步骤3；其中，L_min为编码器的最小里程值，L_max为编码器的最大里程值；

步骤3：当接近开关一检测到定位标识时，积分计算开始，当接近开关二检测到同一定位标识时，积分计算结束，t₀～t₁时间段内的位置积分值s表示为：

式中，v表示矿用机器人的行进速度，t表示时刻；

步骤4：计算积分值s与测量值d的距离比

设置距离比的范围为[i_min,i_max]，如果距离比i在范围[i_min,i_max]内，则表明定位成功，其中i_min为距离比的最小值，i_max为距离比的最大值。

5.根据权利要求4所述的一种矿用轨道机器人定位方法，其特征在于，所述步骤2判断编码器里程值是否在合理范围内，具体表示为：

当机器人行走到第一个定位标识时，将编码器清零，机器人继续前行到第二个定位标识时的编码里程值M如果在[L_min,L_max]范围内，则表明编码器里程值在合理的范围内；所述编码里程值M表示为：

M＝b/λ*γ*d_s*π

式中，b为编码器的编码值，λ为编码器分辨率，γ为减速比，d_s为轮子直径。

6.根据权利要求5所述的一种矿用轨道机器人定位方法，其特征在于，所述步骤4具体表述为：

如果距离比i在范围[i_min,i_max]内，则表明定位成功，定位块块数n_d计数加1，编码器里程值M清零，并计算机器人里程值D，D表示为：

D＝L×n_d+M

若i不在范围[i_min,i_max]内，则表明定位失败，定位次数n_c计数加1，防爆伺服电机反转机器人后退一段距离R，其中R为2倍位置积分值s的距离，然后防爆伺服电机正转机器人前进，返回步骤1重新开始，若失败定位次数超过设定值n₀时，认定存在干扰影响定位。

7.根据权利要求6所述的一种矿用轨道机器人定位方法，其特征在于，当机器人后退时，调换接近开关一和接近开关二的安装位置，控制防爆伺服电机反转，后退过程中机器人里程值D’表示为：D’＝L×n_d+M-d。

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