CN116203974A

CN116203974A - 一种控制移动机器人与设备对接的方法和装置

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Publication number: CN116203974A
Application number: CN202310499482.9A
Authority: CN
Inventors: 杨毅; 李睿; 余凯; 杨帅聪
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2023-05-06
Filing date: 2023-05-06
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2043-05-06
Also published as: CN116203974B

Abstract

本发明公开了一种控制移动机器人与设备对接的方法和装置，属于移动机器人导航控制技术领域；通过使用本发明的对接控制方案，能够有效提高对接成功率，提升对接过程机器人行走平滑度，拓展对接功能应用场景；本发明中使用的对接方案能够允许对接设备位姿在较大范围内挪动，不需要增加其它辅助定位设备，依赖机器人自身感知传感器即可；本发明中使用的对接方法能够根据实时检测的对接设备位姿来动态调整机器人控制，保障在检测结果存在一定误差情况下机器人逐渐提高对接精度，能够尽快与对接设备对接完成。

Description

一种控制移动机器人与设备对接的方法和装置

技术领域

本发明属于移动机器人导航控制技术领域，特别是机器人与其它设备精确对接技术领域，具体涉及一种控制移动机器人与设备对接的方法和装置。

背景技术

随着移动机器人应用场景的扩展，很多场景下都需要移动机器人与其它静止设备进行精确对接，以便协作完成相应功能，比如自动充电、自动加水、自动倒垃圾、自动上货和卸货等，在这些应用中都要求移动机器人能够自动导航至静止设备附近并控制机器人本体精确移动到静止设备的某个相对位置。

现有技术中，基本都要求对接设备位置固定，且相对位置能够精确获取。一种是根据辅助设备，比如红外或者磁条等，将车辆导航到对接面的正对轴线上，沿轴线进行对接；一种是在不同距离上根据摄像头或激光雷达检测对接设备位置后，将机器人导航到对接面的正对轴线上，沿轴线进行对接。上述方案中，在沿轴线对接前需要反复调整位姿满足正对设备的要求，如果远距离下检测的对接设备位置不够精确也会导致反复调整位姿，多次重复对接，对接成功率低且过程不平滑。而且对有最小转弯半径限制的机器人也不太适用，无法简单地将其位姿调整到对接轴线上。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种控制移动机器人与设备对接的方法和装置。

一种控制移动机器人与设备对接的方法，包括：

控制移动机器人导航至对接设备的预设距离范围内；

根据移动机器人的位姿，控制移动机器人进行对接运动，所述对接运动包括三个阶段中的部分或者全部；

所述三个阶段分别是第一阶段、第二阶段和第三阶段：其中，第一阶段为移动机器人沿最小转弯半径r的圆弧进行运动；第二阶段为移动机器人沿半径大于r的圆弧进行运动，并可运动到对接设备正前方并对准；第三阶段为移动机器人已经运动到对接设备正前方并对准，移动机器人沿直线对接上对接设备；

当移动机器人的位姿满足第三阶段条件时，则对接运动包括第三阶段；

当移动机器人的位姿满足第二阶段条件时，则对接运动包括第二阶段和第三阶段；

否则对接运动包括第一阶段、第二阶段和第三阶段。

较佳的，所述移动机器人导航到所述设备的预设距离范围内具体包括：

移动机器人获取对接设备的位姿；

移动机器人导航至对接设备前方的预设距离范围内，以使所述移动机器人检测到所述对接设备。

较佳的，所述第三阶段条件包括：

其中，

和/>

分别为移动机器人当前位姿中的位置坐标和方向角；/>

为对接时设定的横向误差限值，/>

为对接时设定的方向角误差限值；

较佳的，所述第二阶段的圆弧，其所在圆的半径R和圆心

满足如下条件之一：

1）移动机器人位于x轴左侧，左转向，即：

其中，x轴为对接设备坐标系的x轴，沿对接方向；

2）移动机器人位于x轴右侧，右转向，即：

；

利用满足条件1）或条件2）的半径R和圆心

确定第二阶段的路径。

进一步的，当移动机器人的位姿不满足第三阶段条件、第二阶段条件的任一个时，判断机器人是否满足第一阶段要求：

如果满足，则按照第一阶段进行控制；

所述第一阶段条件是：存在半径为R的圆，使得移动机器人能够先在第一阶段沿半径为r的圆上运动，后在第二阶段沿半径为R的圆上运动，直到到达对接设备正前方。

较佳的，确定第一阶段和第二阶段的路径具体为：

当机器人满足第一阶段要求时，其相对于x轴左转或右转，即半径r的圆存在两个可能的圆心

，即：

右转向时有：

；

或者，左转向时有：

；

其中，其中，x轴为对接设备坐标系的x轴，沿对接方向；

半径为r的圆与半径为R的圆相切于第一阶段的路径终点，记为

，两个圆为内切或外切；半径为R的圆与x轴相切于第二阶段的路径终点，记为/>

；其中，d为移动机器人运动到第二阶段的路径终点时与对接设备的距离；半径为R的圆位于x轴左侧或右侧，即其圆心/>

为/>

或/>

；移动机器人在半径为r的圆与半径为R的圆上运行方向一致；/>

则R满足以下六个条件之一：

（1）半径为r的圆与半径为R的圆在x轴同侧，且两圆外切：

（2）半径为r的圆与半径为R的圆在x轴异侧，且两圆外切：

（3）半径为r的圆与半径为R的圆在x轴同侧，且两圆内切：

（4）半径为r的圆与半径为R的圆在x轴同侧，且两圆外切：

（5）半径为r的圆与半径为R的圆在x轴异侧，且两圆外切：

（6）半径为r的圆与半径为R的圆在x轴同侧，且两圆内切：

求解满足条件（1）至（6）中各个条件的R值；根据得到的圆心

确定第一阶段的路径，根据得到的半径R值及其圆心/>

确定第二阶段的路径。

较佳的，所述移动机器人在半径为r的圆上运动时，选择前进或后退的方式从第一阶段的起点移动到第一阶段的终点

，再沿半径为R的圆上移动到/>

，若满足条件（1）至（6）的R值有多个，则计算出每一种R值下的第二阶段的移动代价；选择移动代价最小的解及其对应的运动路径作为第二阶段的路径。

一种装置，包括：

初始控制模块，被配置为控制移动机器人导航至对接设备的预设距离范围内；

位姿解算模块，被配置为解算移动机器人的位姿；

对接运动控制模块，被配置为根据移动机器人的位姿，控制移动机器人进行对接运动，所述对接运动包括三个阶段中的部分或者全部；

否则对接运动包括第一阶段、第二阶段和第三阶段。

一种电子设备，包括：处理器、用于存储所述处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为执行所述控制移动机器人与设备对接的方法的步骤。

一种移动机器人，包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个计算机程序，其中所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行；所述处理器执行所述计算机程序时实现所述控制移动机器人与设备对接的方法的步骤。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了提供一种控制移动机器人与设备对接的方法和装置，通过使用新的对接控制方案，能够有效提高对接成功率，提升对接过程机器人行走平滑度，拓展对接功能应用场景；本发明中使用的对接方案能够允许对接设备位姿在较大范围内挪动，不需要增加其它辅助定位设备，依赖机器人自身感知传感器即可。本发明中使用的对接算法能够根据实时检测的对接设备位姿来动态调整机器人控制，保障在检测结果存在一定误差情况下机器人逐渐提高对接精度，能够尽快与对接设备对接完成。

附图说明

图1是本发明实施例提供的对接系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的对接流程示意图；

图3是本发明实施例提供的机器人对接过程示意图；

图4是本发明实施例对接控制求解流程示意图；

图5是本发明实施例对接过程的第二阶段求解示意图；

图6是本发明实施例对接过程的第一阶段右转向(左)和左转向(右)转弯时求解示意图；

图7是本发明实施例对接过程中的圆r和圆R圆心在x轴同侧(左)和右侧(中)外切及同侧内切(右)示意图；

图8是本发明实施例提供的控制移动机器人与设备对接的装置架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供一种控制移动机器人与设备对接的方法，应用于移动机器人。移动机器人可以是医用配送机器人、无人清扫车、消毒机器人、无人配送车等等，本实施例并不针对机器人的应用场景进行特别限制。设备是需要与移动机器人进行对接的对接设备，例如对接站、充电桩、接驳车等。

本发明可采用如图1所示的系统结构实现，核心思想是：在移动机器人到达对接设备前方附近时，基于机器人实时检测的对接设备的相对位姿，通过对机器人实时连续的运动控制，完成机器人与对接设备的精确对接。

本实施例中，在开始对接前，机器人通过某种方式获取对接设备的位姿，该设备位姿存在一定误差，机器人自主导航到对接设备前方附近，并确保机器人能检测到该对接设备；对接时，根据机器人实时检测到的对接设备的相对位姿，计算机器人运动控制信息，在机器人距离对接设备越近时该位姿误差越小，对接方位就越准确；对接失败时，根据最新检测的对接设备位姿，将机器人导航到该设备前方，重新开始对接。整体对接流程如图2所示。

实施例一

图3是对接过程示意图。具体实现方法包括如下步骤：

步骤一、机器人自主导航到对接设备前方附近。

对接设备的位姿可以通过任何方式获取，比如读取地图信息或者接收对接设备的无线信号等，该位姿允许存在一定误差，但需保证机器人能够正常导航到该设备前方附近并检测到该设备。机器人检测对接设备的方式不限，可以是基于图像或者激光雷达等。该过程如图3中轨迹T0部分，当机器人进入到设备预设范围内，其在对接设备坐标系统中坐标设为

。

步骤二、控制机器人进行对接运动。

对接运动分为三个阶段，第一阶段机器人从位置

沿最小转弯半径圆弧进行运动，如图3中轨迹T1部分；第二阶段机器人沿实时计算更新且半径大于最小转弯半径的圆弧进行运动，如图3中轨迹T2部分，到达位置/>

；第三阶段机器人已经运动到对接设备正前方/>

位置并对准，机器人沿直线对接上对接设备。该最小转弯半径大于等于该机器人的机械结构限制的最小转弯半径。第一阶段和第二阶段为非必须阶段，如果小车位姿满足第三阶段条件则跳过第一二阶段直接进入第三阶段，如果小车位姿满足第二阶段条件则跳过第一阶段直接进入第二阶段，否则从第一阶段开始。图4是对接控制求解流程示意图，对接运动过程具体包括：

（1）根据机器人实时检测到的对接设备相对车辆的位姿

，计算机器人在对接设备坐标系下的位姿/>

，/>

为机器人位置坐标，/>

为方向角，对接设备坐标系如图5中XY坐标系，该坐标系原点为对接设备的中心，x轴沿对接方向，y轴与x轴垂直。机器人最小转弯半径为r。

（2）判断机器人是否满足第三阶段要求，如果满足则按照第三阶段进行控制。第三阶段中机器人位于对接设备前方且正对对接设备，即满足如下条件。第三阶段时，机器人瞄准对接设备直线行走即可完成对接。

其中，

为对接时设定的横向误差限值，/>

为对接时设定的方向角误差限值，均根据实际要求设置。

（3）判断机器人是否满足第二阶段要求，如果满足则按照第二阶段进行控制。第二阶段中机器人沿对接设备前方半径为R的圆弧到达对接设备正对位置，即存在圆R与x轴相切，且机器人位置坐标

与该切点重合，方向角/>

与x轴重合，则圆半径R及圆心

满足如下两个条件之一：

1）机器人位于x轴左侧，左转向，即：

2）机器人位于x轴右侧，右转向，即：

第二阶段时，机器人按照上述转弯半径和方向进行运行，直到机器人正对对接设备满足第三阶段条件。

实施例二

在上述实施例一方案的基础上，当移动机器人的位姿不满足第三阶段条件、第二阶段条件的任一个时，判断机器人是否满足第一阶段要求，如果满足则按照第一阶段进行控制，如果不满足则调整机器人位姿，导航至最近检测到的对接设备位姿的前方，然后重新对接。第一阶段中，存在圆R使得机器人能够先在第一阶段沿圆r运动，后在第二阶段沿圆R运动，最后到达对接设备正前方。如图6所示，机器人可以在第一阶段沿圆r从位置

到位置/>

，再在第二阶段沿沿圆R从位置/>

到位置/>

，/>

位于对接设备正前方正对位置。/>

表示理想情况下机器人第二阶段结束时位姿，由于在位置/>

存在误差，所以预留一定的距离供后续动态调整。

实施例三

在实施例二的基础上，机器人沿圆r运行时，既可以是左转也可以是右转，即存在两个可能的圆心

，如图6所示：

1）右转向

2）左转向

从上可知，圆r与圆R相切于位置

，既可以是内切也可以是外切；圆R与x轴相切于

点，记为/>

；其中，d为移动机器人运动第二阶段的路径终点时与对接设备的距离；此时，移动机器人在点/>

的方向角与设备坐标系x轴一致。圆R既可以位于x轴左侧也可以位于x轴右侧，即其圆心/>

可能是/>

或/>

，如图7所示。同时要保证机器人在圆r和圆R上运行方向的一致性。

从上可知，圆R必须满足以下6个条件之一：

1）

2）

3）

4）

5）

6）

/>

求解上述各个约束方程组的R值及对应的场景。若存在解，则表示机器人可以沿着对应的圆r和圆R所在圆弧运行到对接前方；若存在多个解，则表示有多组圆r和圆R的轨迹可以对接；若不存在解，则表示不满足第一阶段要求。

机器人在圆r上运行时，可以按照某个规则选择前进或后退的方式从

移动到/>

，再沿圆R上/>

前方的圆弧移动到/>

，计算出该规则下总的移动代价；如果存在多个解，则选择代价最小的那个解及其运动方式。其中，移动代价根据实际需求确定，例如里程、时间或者转弯半径代价等。

实施例四

本实施例还提供一种控制移动机器人与设备对接的装置，可应用于机器人或其他可装配/适配于移动机器人的电子设备，其结构原理如图8所示，包括：

初始控制模块1，被配置为控制移动机器人导航至对接设备的预设距离范围内；

位姿解算模块2，被配置为解算移动机器人的位姿；

对接运动控制模块3，被配置为根据移动机器人的位姿，控制移动机器人进行对接运动，所述对接运动包括三个阶段中的部分或者全部；

否则对接运动包括第一阶段、第二阶段和第三阶段。

实施例五

本实施例还提供一种电子设备，包括处理器、用于存储所述处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为执行前述控制移动机器人与设备对接的方法的步骤。

本实施例还提供一种移动机器人，包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个计算机程序，其中所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前述控制移动机器人与设备对接的方法的步骤。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

本实施例还提供一种电子设备，包括处理器、用于存储所述处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为执行前述方法的步骤。

相应的，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，当所述存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得所述电子设备能够执行前述方法的步骤。

电子设备可以是各种形式的数字计算机，例如，应用于各类机器人的工控机、嵌入式计算机，或者膝上型计算机、台式计算机、工作站、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。

作为举例，电子设备包括计算单元，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的计算机程序或者从存储单元加载到随机访问存储器(RAM)中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还可存储设备操作所需的各种程序和数据。计算单元、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出(I/O)接口也连接至总线。设备中的多个部件连接至I/O接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

计算单元可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如视觉定位的方法。例如，在一些实施例中，所述视觉定位方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到RAM并由计算单元执行时，可以执行上文描述的视觉定位的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行视觉定位的方法。

以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。

值得说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本申请方法的执行过程，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行，或是必须执行全部所示的步骤才能实现预期结果。可选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用计算机程序的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、装置、电子设备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命令实现流程图和／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命令到通用计算机、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命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。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。