CN202928584U - 一种移动机器人的定位系统 - Google Patents

Abstract

一种移动机器人的定位系统，包括若干已知反光件(M)、转台(T)、激光器(J)、角度编码器(B)及中央处理单元；相邻反光件之间的连线包围形成机器人的工作区域；所述激光器具有发射部(J1)与接收部(J2)；中央处理单元包括对所述工作区域进行栅格化的图形处理程序，中央处理单元计算出每一交叉点连接各个反光件所形成的各条连接线(L3)之间的多个第二角度，该多个第二角度组成与每一交叉点对应的第二角度组；所述接收部可同时接收到从多个反光件反射回来的激光反射线(L1)，中央处理单元通过运算处理获得各条激光反射线之间的一个第三角度组，然后将所述第三角度组与所述第二角度组进行对比以获得机器人在所述坐标系内的位置。

Description

一种移动机器人的定位系统

技术领域

本发明属于一种机器人的定位技术领域，尤其涉及一种移动机器人的定位系统。 

背景技术

在移动机器人的应用中，导航是指移动机器人通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标自主运动。导航的成功需要有四个模块：感知，定位，认知，运动控制。其中，定位是移动机器人导航最基本的环节，所谓定位就是确定机器人在环境中的实时位姿。当前应用较多的定位技术有：视觉导航定位、全球定位系统(GPS，Global Positioning System)、差分GPS定位、超声波定位等。其中，视觉导航定位方式的图像处理计算量大，计算速度要求高，因而实时性差，此外，该种定位方式受外界环境的影响较大，因此不太适用于户外移动机器人的定位系统。全球定位系统是由美国国防部控制的，对非美国国防部授权的用户，其所能获得的定位导航精度较低，因此不适于定位精度较高的场合。差分GPS定位，是指用户GPS接收机附近设置一个已知精度坐标的差分基准站，基准站的接收机连续接收GPS导航信号，将测得的位置或距离数据与已知的位置、距离数据进行比较，确定误差，得出准确改正值，然后将这些改正数据通过数据链发播给覆盖区域内的用户，用以改正用户的定位结果，这种定位方法虽然定位精度高，但成本也很高。对于超声波定位方式，由于超声波在空气中衰减很大，因此只适用空间范围较小的场合。针对上述各种定位技术存在的缺陷，有必要提出一种改进的移动机器人定位系统以解决上述问题。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种移动机器人通过角度对比来实现定位的定位系统。 

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种移动机器人的定位系统，该定位系统设于一坐标系内，且该定位系统包括若干已知坐标值的反光件、安装于机器人上可360°旋转的转台、激光器、角度编码器及中央处理单元，所 述激光器与角度编码器安装于所述转台上；相邻反光件之间的连线包围形成机器人的工作区域；所述激光器具有发射部与接收部，该发射部发出激光发射线至所述反光件后经反射形成的激光反射线被所述接收部接收，且所述反光件具备使该激光反射线平行于激光发射线的光线直反功能；所述角度编码器用于测得机器人的机头朝向线与所述激光反射线之间的第一角度；所述中央处理单元包括图形处理程序，该图形处理程序对所述工作区域进行栅格化并得出各交叉点的坐标值，中央处理单元计算出每一交叉点连接各个反光件所形成的各条连接线之间的多个第二角度，该多个第二角度组成与每一交叉点对应的第二角度组，然后将每一第二角度组存储起来；机器人在所述工作区域内移动时，所述接收部可同时接收到从多个反光件反射回来的激光反射线，所述角度编码器可对应测得多个所述第一角度，中央处理单元对所述多个第一角度进行运算处理以获得各条激光反射线之间的一个第三角度组，然后将所述第三角度与所述第二角度进行对比以获得机器人在所述坐标系内的位置。 

优选的，当所述第三角度组与存储的一个第二角度组中有至少两个连续相等的角度值时，机器人的坐标值即为该第二角度组对应的交叉点的坐标值。 

优选的，当所述第三角度组与存储的任意一个第二角度组中仅有一个相等的角度值或没有相等的角度值时，中央处理单元将寻找到与该第三角度组的各角度值最接近的另一个第二角度组，机器人在所述坐标系内的位置最接近该另一个第二角度组所对应的交叉点。 

优选的，所述第二角度为所述各条连接线中相邻两条连接线之间的角度，所述第三角度为所述各激光反射线中相邻两条激光反射线之间的角度。 

优选的，所述第二角度为其中一条连接线与其他各条连接线之间的角度，所述第三角度为其中一条激光反射线与其他各条激光反射线之间的角度。 

优选的，所述移动机器人为割草机器人。 

优选的，所述定位系统还包括设于机器人上的电子罗盘。 

与现有技术相比，本发明定位方法通过角度对比来实现机器人定位，无需过于复杂的计算程序，因此不但可实现快速定位，而且成本低廉。 

附图说明

图1是本发明定位系统中移动机器人的部分结构示意图。 

图2是本发明定位系统中移动机器人的机头朝向线与激光反射线的示意图，其中显示了第一角度与第二角度。 

图3是本发明定位系统中工作区域被栅格化后的示意图，其中显示一交叉点所对应的所有第三角度。 

图4是本发明定位系统中接收部接收多条激光反射线时的示意图，其中显示多个第一角度。 

图5是本发明定位系统中接收部接收多条激光反射线时的示意图，其中对图4中的多个第一角度进行运算所得出相邻两条激光反射线之间的多个第二角度。 

图6是本发明定位系统中工作区域被栅格化后的示意图，其中显示移动机器人位于任意一位置时所测得的所有第二角度。 

图7是本发明定位系统中移动机器人位于任一位置时测得两个连续的第三角度时的示意图。 

图8是本发明定位系统中工作区域被栅格化后的示意图，其中移动机器人沿指定直线移动。 

具体实施方式

参图1与图2所示，本发明提供了一种移动机器人定位系统，该定位系统位于一平面坐标系内，且包括若干已知坐标值的反光件M、安装于该转台T上的激光器J和角度编码器B以及中央处理单元(未图示)。在本实施方式中，所述移动机器人R为一割草机器人，该割草机器人在草坪上工作，因此整个草坪为所述坐标系所在平面。此外，本实施方式中共设置10个反光件，分别为M1、M2......M10，这些反光件为插设于草坪上的具有光线直反功能的杆状路标。 

参图1与图2所示，所述转台T可相对机器人R机身进行360°旋转运动，该转台T上安装有激光器J，该激光器J具有发射部J1与接收部J2。所述发射部J1向外发出激光发射线，由于转台T作旋转运动，因此所述激光器J也随转台T一起进行360°旋转，当该激光发射线照射至所述反光件M上后会被该反光件反射而形成激光反射线L1。由于所述反光件M具备光线直反功能，此处所谓的光线直反是指反射光与入射光是平行的且两者之间间隔甚小而可被忽略，因此所述激光反射线L1将大致沿所述激光发射线原路返回至机器人R，返回的激 光反射线L1将被所述接收部J2接收。 

参图1至图3所示，所述转台T上还设有角度编码器B，该角度编码器B是用来测得机器人R的机头朝向线L2与所述激光反射线L1之间的第一角度α，该第一角度α的大小是指机器人R的机头朝向线L2沿指定方向旋转至所述接收部J2接收到所述激光反射线L1所转过的角度，在本实施方式中规定该指定方向为顺时针方向。此外，由于转台T的转速很快，因此在同一时刻，发射部J1可同时照射到多个连续的反光件，接收部J2则可收到多条激光反射线L1，从而角度编码器B可同时测得多个第一角度α，中央处理单元可对多个第一角度α进行运算处理并获得相邻两条激光放射线L1之间的第三角度β。 

参图1至图3所示，所述中央处理单元的图形处理程序对各个反光件M的连线包围所形成的工作区域进行栅格化并得出各交叉点的坐标值，而且中央处理单元将计算出每一交叉点连接各个反光件M所形成的各条连接线L3之间的多个第二角度θ，多个第二角度θ组成与每一交叉点对应的第二角度组，然后将每一第二角度组存储起来。机器人R在所述工作区域内移动时，所述接收部J2可同时接收到从多个反光件M反射回来的多条激光反射线L1，所述角度编码器B对应测得多个所述第一角度α，中央处理单元对这些第一角度α进行运算处理以获得各条激光反射线L1之间的一个第三角度组，然后将所述第三角度组与所述第二角度组进行对比以获得机器人在所述坐标系内的位置。 

以下将主要描述如何获得机器人R在坐标系内的位置的。图3中的草坪上的工作区域已被栅格化，栅格的边长越小，精度越高，因此可以根据需要设定合适的精度。工作区域被栅格化的同时可得出各交叉点的坐标值，现已其中一个交叉点A为例，由于各反光件的坐标值均已知，因此相邻两个反光件与交叉点A的两条连接线L3之间的第二角度θ可通过计算得出，本实施方式中共有10个反光件M1、M2......M10，因此共有10个第二角度θ₁、θ₂......θ₁₀，这10个第二角度组成与交叉点A对应的一个第二角度组，从而交叉点A可以由这一个第二角度组表示为A(θ₁、θ₂......θ₁₀)。通过同样的方式可获得其他交叉点所对应的各个第二角度组。待程序计算完毕后，中央处理单元将每一交叉点所对应的每一个第二角度组置于存储单元内。以上步骤结束后，机器人R开始工作，结合图4与图5所示，机器人R在所述工作区域内移动时，所述激光器J的发 射部J1时刻向外发出激光发射线，由于接收部J2在同一时刻可收到多条激光反射线L1，在此以接收部J2可接收到反光件M1～M5反射回来的5条激光放射线L1为例，此时角度编码器B可同时获得与之对应的5个第一角度α₁、α₂、α₃、α₄、α₅。所述中央处理单元对这些第一角度进行运算处理可计算出相邻两条激光反射线L1之间的四个第三角度，大小分别为α₂-α₁、α₃-α₂、α₄-α₃、α₅-α₄。 

参图3与图6所示，通过上述分析可知，当接收部J2可同时接收到从所有反光件M1、M2......M10上反射回来的激光反射线L1时，中央处理单元则可同时运算获得与所述交叉点的一组第二角度相对应的10个第三角度β₁、β₂......β₁₀，这10个第三角度组成与机器人R实时位置相对应的一个第三角度组，从而机器人R的实时位置可由所测得的这一个第三角度组表示为R(β₁、β₂......β₁₀)。中央处理单元通过将实时测得的一个第三角度组与存储单元内的第二角度组进行对比来获得机器人R当前在坐标系内的位置。 

以下具体描述中央处理单元如何将所述第三角度β与第二角度θ对比而获得机器人R的当前位置的。当中央处理单元运算获得一个第三角度组β₁、β₂......β₁₀后，该第三角度组与存储的每个第二角度组相比大致有以下几种情形：1)该第三角度组与存储单元内的一个第二角度组至少有两个连续相等的角度值；2)该第三角度组与存储单元内的任意一个第二角度组均没有相等的角度值；3)该第三角度组与存储单元内的多个第二角度组只有一个相等的角度值。 

对于情形1，参图7所示，假设测得的第三角度组β₁、β₂......β₁₀中的两个连续的第三角度β₁、β₂与存储单元中一个第二角度组θ₁、θ₂......θ₁₀中对应的两个连续的第二角度θ₁、θ₂相等，对于已知反光件M1、M2、M3的坐标值以及夹角β₁、β₂的两个三角形ΔM1M2R和ΔM2M3R，即可运算得出唯一的机器人所在点R的坐标值，因此在该情形下，机器人R当前的位置即为该第二角度组θ₁、θ₂......θ₁₀所对应的交叉点的位置，机器人R当前的坐标值即为该交叉点的坐标值，而其他角度值互不相等主要是因误差而引起。 

对于情形2，参图3与图6所示，中央处理器将存储单元中每一个第二角度组里的角度值与所测得的第三角度组β₁、β₂......β₁₀里的角度值对应相减，以交叉点A为例，相减后得出一个第四角度组θ₁-β₁，θ₂-β₂......θ₁₀-β₁₀，假设共有n个交叉点，则共有n个第四角度组，中央处理单元将这n个第四角度组中的各 个角度值对应相比并选出具有最小绝对值的第四角度组，从选出的第四角度组中再选出具有所述最小绝对值最多的第四角度组，从而获得与该第四角度组相对应的第二角度组，该第二角度组所对应的所述交叉点的位置就是机器人R在坐标系内最接近的位置。 

对于情形3，假设存储单元中共有m个第二角度组有与所测得的第三角度组仅有一个相同的角度值，中央处理单元首先将这m个第二角度组筛选出来，然后运用情形2中相同的判断方式来确定机器人当前的位置，即通过角度相减将得出m个第五角度组，中央处理单元将这m个第五角度组中的各个角度值对应相比并选出具有最小绝对值的第五角度组，从选出的第五角度组中再选出具有所述最小绝对值最多的第五角度组，从而获得与该第五角度组相对应的第二角度组，该第二角度组所对应的所述交叉点的位置就是机器人R在坐标系内最接近的位置。 

通过对以上3中情形的描述可知，发生情形1时，中央处理单元判断并得出机器人位置的时间最短；发生情形2时，由于需要对每一交叉点进行对比，因此判断时间最长；情形3无需对比所有交叉点，因此判断时间小于情形2。在实际测量过程中，尤其是栅格精度越小即栅格边长越长时，发生情形1的可能性就越小，而发生情形2和情形3的可能性最大。尽管发生情形2和情形3的可能性大，中央处理单元也无需每次都将测得的第三角度组与所述n个或m个第二角度组进行对比，因为在通常情况下，机器人R是按指定线路移动的，如图8所示，机器人沿直线L4移动。假设机器人移动速度为0.3米/秒，中央处理器进行角度对比的频率为1次/秒，栅格边长为0.1米，机器人R前一秒的位置为直线上的C点，根据机器人R的移动速度可以认为机器人R当前的位置一定在以C点为圆心，0.3米为半径的圆内或圆上，此时中央处理单元只需将位于该圆内及圆上的交叉点所对应的若干第二角度组与所测得的第三角度组进行对比，对比方法则与以上所描述三种情形相同。如此，中央处理单元只需对几个交叉点进行对比即可，从而可实现快速定位。中央处理单元需对比的交叉点还可以进一步减少，如增加电子罗盘，当测得机器人航行方向时，只需对比在航行方向上的交叉点，而未在航行方向上的就无需再作对比了。真正需要将测得的第三角度组与所述n个或m个第二角度组进行对比的情况仅发生在机器人R 的前一秒位置未知的情形，如操作员将机器人R搬至另一位置，使其重新开始工作。 

本发明定位系统与定位方法通过角度对比来实现机器人定位，从而无需编写过于复杂的计算处理程序，因此具有简化程序和降低成本的功效；此外，由于实际运作过程中，中央处理单元仅需对比较小范围内的交叉点，因此可实现机器人的快速定位。 

以上是为便于本领域技术人员更容易理解本发明所进行的最佳实施方式的描述，本发明定位系统与定位方法还有其他实施方式，如在以上实施方式中所述的第二角度θ为所述各条连接线L3中相邻两条连接线之间的角度，所述第三角度β为所述各激光反射线L1中相邻两条激光反射线之间的角度。第二角度也可以是其中一条连接线与其他各条连接线之间的角度，第三角度也可以是其中一条激光反射线与其他各条激光反射线之间的角度，角度对比方法相同，同样可实现机器人定位。因此，只要是在本发明设计理念指导下采用等同或等效变换方式所获得的技术方案都应在本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种移动机器人的定位系统，该定位系统设于一坐标系内，且该定位系统包括若干已知坐标值的反光件、安装于机器人上可360°旋转的转台、激光器、角度编码器及中央处理单元，所述激光器与角度编码器安装于所述转台上；相邻反光件之间的连线包围形成机器人的工作区域；所述激光器具有发射部与接收部，该发射部发出激光发射线至所述反光件后经反射形成的激光反射线被所述接收部接收，且所述反光件具备使该激光反射线平行于激光发射线的光线直反功能；所述角度编码器用于测得机器人的机头朝向线与所述激光反射线之间的第一角度；所述中央处理单元包括图形处理程序，该图形处理程序对所述工作区域进行栅格化并得出各交叉点的坐标值，其特征在于：中央处理单元计算出每一交叉点连接各个反光件所形成的各条连接线之间的多个第二角度，该多个第二角度组成与每一交叉点对应的第二角度组，然后将每一第二角度组存储起来；机器人在所述工作区域内移动时，所述接收部可同时接收到从多个反光件反射回来的激光反射线，所述角度编码器可对应测得多个所述第一角度，中央处理单元对所述多个第一角度进行运算处理以获得各条激光反射线之间的一个第三角度组，然后将所述第三角度组与所述第二角度组进行对比以获得机器人在所述坐标系内的位置。 

2.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于：所述第二角度为所述各条连接线中相邻两条连接线之间的角度，所述第三角度为所述各激光反射线中相邻两条激光反射线之间的角度。 

3.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于：所述第二角度为其中一条连接线与其他各条连接线之间的角度，所述第三角度为其中一条激光反射线与其他各条激光反射线之间的角度。 

4.如权利要求1至3项中任一项所述的定位系统，其特征在于：所述移动机器人为割草机器人。 

5.如权利要求4所述的定位系统，其特征在于：所述定位系统还包括设于机器人上的电子罗盘。 

Images