CN205734949U - 基于tdoa定位的室内服务机器人系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于TDOA定位的室内服务机器人系统，包括机器人及控制机器人行走的控制系统，控制系统包括TDOA定位系统、数据输入端口、避障系统和处理模块，TDOA定位系统包括固定设置在机器人上的定位测量模块及固定设置在室内固定物上的三个定位基准点，三个定位基准点不位于同一直线上。本实用新型具有定位精度高、通讯距离远、抗干扰能力强、地图和路径构建简单、灵活性高的优点。

Description

基于TDOA定位的室内服务机器人系统

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，具体涉及基于TDOA定位的室内服务机器人系统。

背景技术

室内服务机器人是智能机器人的一个重要分支，与工业机器人和室外机器人不同，室内服务机器人主要工作在结构化的室内环境中，比如医院、餐厅、家庭等场所，实现物品的递送、客户引导、清洁、娱乐等服务任务。

目前，室内服务机器人的定位和导航方式主要包括：磁条定位和导航、视觉定位和导航、激光定位和导航、无线定位和导航等方式。其中，磁条定位是通过在机器人行走路径上铺设磁条和标记点，由机器人携带的磁导航传感器和标记点感应传感器获取路径信息和定位信息，目前被餐厅服务机器人和物流配送机器人所普遍采用。这种导航和定位方法原理简单，但是灵活性不足，尤其对具有复杂交叉路径的环境，磁条的铺设和控制均比较复杂，并且后期维护也较繁琐，此外，对酒店和餐厅应用的服务机器人，贴在地面上的磁条严重影响了美观。视觉定位和导航方式是使用基于图像背景的定位原理实现在室内环境下的运动，这种方式存在对环境适应能力差和位置精度误差大的缺点，在环境改变后，需要重新进行地图构建和定位。激光定位和导航是利用激光扫描传感器获得周围环境的坐标信息以实现定位和导航，该定位和导航方式精度高，可达毫米级，但价格高，主要应用于高端的工业搬运机器人，难以应用于室内服务机器人。无线定位和导航方案可采用包括Wifi、RFID、超声波、蓝牙、射频等多种方式，然而基于Wifi、RFID、超声波、蓝牙的定位和导航均存在定位精度低的问题，定位精度为米级。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种具有定位精度高、通讯距离远、抗干扰能力强、地图和路径构建简单、灵活性高的基于TDOA定位的室内服务机器人系统。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：基于TDOA定位的室内服务机器人系统，包括机器人及控制所述机器人行走的控制系统，所述机器人包括移动底盘及设置在所述移动底盘上的机器人主体，所述移动底盘包括底盘、设置在所述底盘上的驱动机构、万向轮机构、电源系统；所述控制系统包括TDOA定位系统、数据输入端口、避障系统和处理模块，所述TDOA定位系统包括固定设置在所述移动底盘上的定位测量模块及固定设置在室内固定物上的三个定位基准点，三个所述定位基准点不位于同一直线上，所述数据输入端口用以输入已经二维坐标数组化的室内环境地图、二维坐标数组化的运动路径、二维坐标数组化的所述定位基准点，所述处理模块包括存储所述室内环境地图、运动路径的储存模块及向所述驱动机构发出行走指令的输出模块。

上述技术方案中，定位测量模块则固定在移动底盘上，随着机器人一起运动。定位测量模块每间隔一定时间向3个定位基准点同时发出射频通讯信号，各定位基准点收到定位测量模块的射频通讯信号后会以一定的时序分别发送出一个反馈信号。定位测量模块通过测量射频信号发出时间和反馈信号的收到时间可以计算出射频信号的飞行时间。通过计算3个定位基准点与定位测量模块之间射频信号的飞行时间的时间差，可获得定位测量模块相对于3个定位基准点之间的距离，从而实现机器人在二维室内环境下的位置定位。在机器人的移动过程中，通过获取定位测量模块前后两次定位的数据，可获得机器人的运动方向。

避障系统包括避障传感器，当避障传感器感应到行进方向有障碍物时，机器人会停止前进，并重新按处理模块发出的修改后的指令行走。

优选的技术方案，所述底盘上表面设置有安装板，所述驱动机构包括驱动轮、驱动所述驱动轮的驱动电机，所述驱动电机通过弹性悬挂装置设置在所述安装板上，所述弹性悬挂装置包括固定安装在所述安装板上的楔形块，所述楔形块下表面两端分别设置有一导轨，所述导轨下端固定设置在所述底盘上，所述导轨上由上而下依次设置有弹簧、滑动板、直线轴承，所述弹簧上端固定设置在所述安装板上、下端固定设置在所述滑动板上，所述滑动板两端各设置有一通孔，两根所述导轨分别穿过所述通孔设置，所述直线轴承上端固定设置在所述滑动板下表面，所述驱动电机固定设置在所述滑动板下表面。

上述技术方案中，所述楔形块的小表面为倾斜面，该倾斜面与安装板的夹角为5°到35°，优选为12°到30°。

优选的技术方案，所述万向轮机构包括万向轮及设置在所述万向轮上端的至少四个减震垫。

优选的技术方案，所述电源系统包括由多个蓄电池串联而成的蓄电池组。

本实用新型的工作原理：

将机器人所在的室内环境进行手动测量，将机器人所在的室内环境的二维地图以二维坐标数组的方式进行表示，并将该室内地图数组数据通过数据输入端口输入给处理模块，从而处理模块可以获得所在室内环境的地图；将机器人的运动路径以二维坐标数组的方式进行表示，并将该数组数据输入给处理模块，从而处理模块可以获得在该室内环境的运动路径；将3个定位基准点的位置分别以二维坐标数组的方式进行表示，并将该数组数据输入给处理模块，从而处理模块可以获得定位基准点在该室内环境的位置。同时，位于机器人移动底盘上的TDOA定位系统的定位测量模块每间隔一定时间向3个定位基准点同时发出射频通讯信号，各定位基准点收到定位测量模块的射频通讯信号后会以一定的时序分别发送出一个反馈信号。定位测量模块通过测量射频信号发出时间和反馈信号的收到时间可以计算出射频信号的飞行时间。通过计算3个定位基准点与定位测量模块之间射频信号的飞行时间的时间差，可获得定位测量模块相对于3个定位基准点之间的距离，从而实现机器人在二维室内环境下的位置定位。

处理模块根据所输入的二维坐标数组化的地图数据或路径数据，并结合TDOA定位系统获得的机器人位置数据和定位基准点的位置数据，可实现在统一坐标系下对机器人位置和室内环境数据的获取，从而通过处理模块的输出模块给驱动机构发出相关指令，可以实现机器人在该室内环境下自主运动，完成如送餐服务、迎宾服务、导购服务、清扫服务等功能。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1、本实用新型在硬件上是利用无线射频进行位置测量，软件上利用TDOA定位技术实现对机器人在室内环境内的定位和导航，定位精度在±10cm至±20cm，具有定位精度高、通讯距离远、抗干扰能力强的优点；

2、本实用新型所提出的以二维坐标数组的形式将室内环境的二维地图或路径输入给机器人控制系统，与采用视觉或激光传感器进行地图构建、定位和导航方法相比，具有操作简单，灵活性高的优点；

3、本实用新型的移动底盘采用弹性悬挂装置，在遇到小突起或者小凹坑的时候，抓地性强，不打滑，能够平稳前进。

附图说明

图1为本实用新型实施例一移动底盘结构示意图；

图2位本实用新型实施例一弹性悬挂装置结构示意图；

图3为本实用新型实施例一机器人室内定位示意图；

图4为本实用新型实施例一TDOA定位方法原理图。

其中：1、移动底盘；2、定位测量模块；3、定位基准点；4、底盘；5、安装板；6、弹性悬挂装置；7、蓄电池组；8、万向轮；9、楔形块；10、导轨；11、固定块；12、弹簧；13、滑动板；14、直线轴承；15、驱动轮；16、驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例一：

基于TDOA定位的室内服务机器人系统，包括机器人及控制机器人行走的控制系统，机器人包括移动底盘1及设置在移动底盘1上的机器人主体，移动底盘1包括底盘4、设置在底盘4上的驱动机构、万向轮机构、电源系统；控制系统包括TDOA定位系统、数据输入端口、避障系统和处理模块，TDOA定位系统包括固定设置在移动底盘1上的定位测量模块2及固定设置在室内固定物上的三个定位基准点3，三个定位基准点3不位于同一直线上，数据输入端口用以输入已经二维坐标数组化的室内环境地图、二维坐标数组化的运动路径、二维坐标数组化的定位基准点3，处理模块包括存储室内环境地图、运动路径的储存模块及向驱动机构发出行走指令的输出模块。

如图3、4所示，定位测量模块2则固定在移动底盘1上，随着机器人一起运动。定位测量模块2每间隔一定时间向3个定位基准点3同时发出射频通讯信号，各定位基准点3收到定位测量模块2的射频通讯信号后会以一定的时序分别发送出一个反馈信号。定位测量模块2通过测量射频信号发出时间和反馈信号的收到时间可以计算出射频信号的飞行时间。通过计算3个定位基准点3与定位测量模块2之间射频信号的飞行时间的时间差，可获得定位测量模块2相对于3个定位基准点3之间的距离，从而实现机器人在二维室内环境下的位置定位。在机器人的移动过程中，通过获取定位测量模块2前后两次定位的数据，可获得机器人的运动方向。

如图1、2所示，底盘4上表面设置有安装板5，驱动机构包括驱动轮15、驱动驱动轮15的驱动电机16，驱动电机16通过弹性悬挂装置6设置在安装板5上，弹性悬挂装置6包括固定安装在安装板5上的楔形块9，楔形块9下表面两端分别设置有一导轨10，导轨10下端通过固定块11固定设置在底盘4上，导轨10上由上而下依次设置有弹簧12、滑动板13、直线轴承14，弹簧12上端固定设置在安装板5上、下端固定设置在滑动板13上，滑动板13两端各设置有一通孔，两根导轨10分别穿过通孔设置，直线轴承14上端固定设置在滑动板13下表面，驱动电机16固定设置在滑动板13下表面。

楔形块9的小表面为倾斜面，该倾斜面与安装板5的夹角为5°到35°，优选为12°到30°。

万向轮机构包括四个万向轮8及设置在万向轮8上端的四个减震垫。

电源系统包括由多个蓄电池串联而成的蓄电池组7。

本实施例的的使用方法：

将机器人所在的室内环境进行手动测量，将机器人所在的室内环境的二维地图以二维坐标数组的方式进行表示，并将该室内地图数组数据通过数据输入端口输入给处理模块，从而处理模块可以获得所在室内环境的地图；将机器人的运动路径以二维坐标数组的方式进行表示，并将该数组数据输入给处理模块，从而处理模块可以获得在该室内环境的运动路径；将3个定位基准点3的位置分别以二维坐标数组的方式进行表示，并将该数组数据输入给处理模块，从而处理模块可以获得定位基准点3在该室内环境的位置。同时，位于机器人移动底盘1上的TDOA定位系统的定位测量模块2每间隔一定时间向3个定位基准点3同时发出射频通讯信号，各定位基准点3收到定位测量模块2的射频通讯信号后会以一定的时序分别发送出一个反馈信号。定位测量模块2通过测量射频信号发出时间和反馈信号的收到时间可以计算出射频信号的飞行时间。通过计算3个定位基准点3与定位测量模块2之间射频信号的飞行时间的时间差，可获得定位测量模块2相对于3个定位基准点3之间的距离，从而实现机器人在二维室内环境下的位置定位。

处理模块根据所输入的二维坐标数组化的地图数据或路径数据，并结合TDOA定位系统获得的机器人位置数据和定位基准点3的位置数据，可实现在统一坐标系下对机器人位置和室内环境数据的获取，从而通过处理模块的输出模块给驱动机构发出相关指令，可以实现机器人在该室内环境下自主运动，完成如送餐服务、迎宾服务、导购服务、清扫服务等功能。

Claims (5)

1.一种基于TDOA定位的室内服务机器人系统，其特征在于：包括机器人及控制所述机器人行走的控制系统，所述机器人包括移动底盘及设置在所述移动底盘上的机器人主体，所述移动底盘包括底盘、设置在所述底盘上的驱动机构、万向轮机构、电源系统；所述控制系统包括TDOA定位系统、数据输入端口、避障系统和处理模块，所述TDOA定位系统包括固定设置在所述移动底盘上的定位测量模块及固定设置在室内固定物上的三个定位基准点，三个所述定位基准点不位于同一直线上。

2.根据权利要求1所述的基于TDOA定位的室内服务机器人系统，其特征在于：所述数据输入端口用以输入已经二维坐标数组化的室内环境地图、二维坐标数组化的运动路径、二维坐标数组化的所述定位基准点，所述处理模块包括存储所述室内环境地图、运动路径的储存模块及向所述驱动机构发出行走指令的输出模块。

3.根据权利要求1所述的基于TDOA定位的室内服务机器人系统，其特征在于：所述底盘上表面设置有安装板，所述驱动机构包括驱动轮、驱动所述驱动轮的驱动电机，所述驱动电机通过弹性悬挂装置设置在所述安装板上，所述弹性悬挂装置包括固定安装在所述安装板上的楔形块，所述楔形块下表面两端分别设置有一导轨，所述导轨下端固定设置在所述底盘上，所述导轨上由上而下依次设置有弹簧、滑动板、直线轴承，所述弹簧上端固定设置在所述安装板上、下端固定设置在所述滑动板上，所述滑动板两端各设置有一通孔，两根所述导轨分别穿过所述通孔设置，所述直线轴承上端固定设置在所述滑动板下表面，所述驱动电机固定设置在所述滑动板下表面。

4.根据权利要求1所述的基于TDOA定位的室内服务机器人系统，其特征在于：所述万向轮机构包括万向轮及设置在所述万向轮上端的至少四个减震垫。

5.根据权利要求1所述的基于TDOA定位的室内服务机器人系统，其特征在于：所述电源系统包括由多个蓄电池串联而成的蓄电池组。