CN209623718U - 巡逻机器人定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种巡逻机器人定位系统。所述系统包括主控计算单元，以及分别与其连接且协同作用的GNSS模块、UWB系统、激光雷达、IMU惯性测量单元、码盘和充电感应模块，所述UWB系统包括标签及3个以上基站，所述标签用于接收所述基站发送的信号，所述主控计算单元、所述标签、所述GNSS模块、所述激光雷达、所述IMU惯性测量单元、所述码盘和所述充电感应模块皆设于机器人。本实用新型利用GNSS模块、UWB系统、激光雷达、结合深度视觉定位系统、IMU惯性测量单元和机器人底盘自带的码盘进行融合定位，不仅能实现室内、室外定位的无缝切换，且适用大地图环境下的自主定位，能有效满足各种室内外巡逻机器人的自主定位需求。

Description

巡逻机器人定位系统

技术领域

涉本实用新型涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种巡逻机器人定位系统。

背景技术

现有机器人大部分使用激光、UWB或者使用GNSS进行定位，无法有效完成室内室外自由切换时的定位稳定性问题。使用激光或 UWB进行定位时，由于激光和UWB探测距离有限、工作范围较小，无法在室外大环境下使用；而使用GNSS定位时，由于信号遮挡和干扰问题，只能在室外空旷地区使用，无法适用室内、小区、街道等工作环境。室外激光定位大部分采用三维激光来实现定位，不仅需要事先建图，而且对环境适应性差，周围环境改变时会导致误差，需要重新建图，维护成本高，而且三维激光成本高，运算量大，对处理器要求较高，每次开机都需要手动初始化，且无法实现大范围定位。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有机器人开机无法自动初始化、定位技术无法兼顾室内室外自由切换时的稳定性问题，提供一种功能强大、稳定性好、实用性好的巡逻机器人定位系统。

一种巡逻机器人定位系统，包括主控计算单元，以及分别与其连接且协同作用的GNSS模块、UWB系统、激光雷达、IMU惯性测量单元、码盘、深度视觉定位系统和充电感应模块，所述UWB系统包括标签及三个以上基站，所述标签用于接收所述基站发送的信号，所述主控计算单元、所述标签、所述GNSS模块、所述激光雷达、所述IMU 惯性测量单元、所述码盘、深度视觉定位系统和所述充电感应模块皆设于机器人。

在本实用新型提供的巡逻机器人定位系统的一种较佳实施例中，所述激光雷达为二维激光传感器。

在本实用新型提供的巡逻机器人定位系统的一种较佳实施例中，所述GNSS模块的数量为2个。

在本实用新型提供的巡逻机器人定位系统的一种较佳实施例中，所述UWB系统的数量为2个。

在本实用新型提供的巡逻机器人定位系统的一种较佳实施例中，所述主控计算单元内置ekf算法模块和粒子滤波算法模块。

相较于现有技术，本实用新型提供的所述巡逻机器人定位系统创造性的融合了GNSS、UWB、二维激光传感器、深度视觉定位系统等可行的机器人定位方案，实现了各定位方式的无缝切换，实用性强，稳定性好。主要表现在：

开机时无需人为配置或手动初始化，可自主判断、自动寻找信号，确定机器人本体位置和方向；同时，运动过程中，当机器人通过室内、室外的过渡区域或者GNSS信号、UWB信号、激光匹配等信号过渡区域或者光线不佳、周围环境不好时，所述定位系统可通过主控计算单元自动选择最佳定位方式，全程定位过程无缝衔接。另外，所述深度视觉定位系统结合所述IMU惯性测量单元及所述码盘可提供机器人自身以及环境的良好瞬时运动估计，使定位精度进一步提高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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它的附图，其中：

图1是图1是本实用新型提供的巡逻机器人结构示意图；

图2是图1所示机器人定位系统结构示意图；

图3为本实用新型提供的巡逻机器人定位系统工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。

请参阅图1和图2，图1是本实用新型提供的巡逻机器人结构示意图，图2是图1所示机器人定位系统结构示意图。一种巡逻机器人定位系统1，包括主控计算单元11，以及分别与其连接且协同作用的GNSS 模块12、UWB系统13、激光雷达14、IMU惯性测量单元15、深度视觉定位系统18、码盘16和充电感应模块17。

具体实施过程中，所述主控计算单元11可以是改良的RK3288 主板或者CPU在i3以上的工控机或者PC，用于接收GNSS模块12、 UWB系统13、激光雷达14、IMU惯性测量单元15、码盘16、深度视觉定位系统18和充电感应模块17各自传输的信号，并根据信号情况进行相应的计算和判断后控制定位方式自动切换。较佳实施例中，所述主控计算单元11内置ekf算法模块、粒子滤波算法模块。

所述GNSS模块12可以为单独的GPS信号接收模块或北斗信号接收模块。优选地，所述GNSS模块12的数量为二个，由此可以精确计算得出机器人所处方向。

所述UWB系统13包括标签(图未示)、天线131及三个以上基站，所述标签(图未示)和所述天线131设于机器人，用于接收基站发送的信号并作出反馈。所述UWB系统13的数量为二个时，同样有利于计算得出机器人所处方向，但UWB系统布置基站麻烦，成本高，故只有在不利于激光定位和周围环境多变、参照物少的特殊情况下才采用此法。

所述主控计算单元11、所述标签(图未示)、所述GNSS模块12、所述激光雷达14、所述IMU惯性测量单元15、所述码盘16和所述充电感应模块17皆设于机器人。

优选地，所述激光雷达14为二维激光传感器。二维激光传感器相较于三维激光雷达成本低、运算量小，CPU占用率小，消耗内存少，可节约一个数量级的CPU占用率及内存消耗。本实用新型中选用SICK的LMS141型号，具有体积小、重量轻、耗电量小，以及具有多种通讯接口，可动态切换扫描区域等优点。

所述IMU惯性测量单元15属于捷联式惯导，有两个加速度传感器与三个方向的角速率传感器(陀螺)组成。一般而言，为提高可靠性，尽量设置于靠近机器人的重心位置。本实用新型中采用XSENS MTI-300型号，经测试其抗电磁干扰能力强；频率10～200hz，角度误差＜1°。

所述码盘16又叫编码器，是测转角和转速的传感器，通过观点信号转换将其转轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字信号。

所述充电感应模块17为机器人自动充电系统的一部分，可可感应机器人是否连接至充电桩，且在充满电后自动脱落充电桩。

所述深度视觉定位系统18一种可移动的视觉定位装置，包括云台相机181和深度相机183，通过采集地标图像并传输至所述主控计算单元11进行融合以实现定位。所述云台相机181可以为电动云台相机，不仅可以起到固定云台的作用，还在旋转轴上配有电机，云台可接收远程的控制信号，从而调整摄像头的方向或扫描监视区域。所述深度相机183可以测得机器人离视野中各障碍物之间的距离。

所述定位系统1的工作原理为：在机器人开机时，所述主控计算单元11检查判断所述UWB系统13信号是否正常？若所述UWB系统13信号正常，则通过所述UWB系统13来确定机器人初始坐标并通过所述IMU惯性测量单元15来确定机器人初始方向；若所述UWB 系统13信号不正常，则所述主控计算单元11判断所述GNSS模块 12信号是否正常，若所述GNSS模块12信号正常，则通过所述GNSS 模块12来确定机器人初始坐标并通过所述IMU惯性测量单元15来确定机器人初始方向；若所述GNSS模块12信号不正常则通过所述充电感应模块17来确定机器人初始位置并通过所述IMU惯性测量单元15来确定机器人方向。

机器人在运行过程中，若所述主控计算单元11检查所述GNSS 模块12信号良好，对所述深度视觉定位系统18获取的机器人的位置变化情况结合对获取的RTK GNSS信号、IMU信号、码盘信号进行融合，后输出机器人位置；若所述GNSS模块12信号弱，这种情况多为高楼遮挡等原因引起，则通过事先布置好的所述基站进行定位，并采用所述粒子滤波算法模块对所述深度视觉定位系统18获取的机器人的位置变化情况结合所述基站距离、IMU信号、码盘信号进行融合，后输出机器人位置；若所述主控计算单元11判断机器人处于室内，则通过预先建好的地图，采用深度视觉、二维激光匹配算法、 IMU信号、码盘信号进行融合，后输出机器人位置。开机后，遇IMU 信号异常、检测充电桩失败以及上述方法皆不凑效时，则上报异常。具体的，所述GNSS模块12信号良好的判断标准为收到八个及以上所述卫星信号，并检测出差分信号。所述UWB系统13信号正常的判断标准为接收到三个及以上所述基站的信号。

相较于现有技术，本实用新型提供的所述巡逻机器人定位系统1 开机无需人为配置或手动初始化，自动寻找信号，确定机器人本体位置和方向；通过室内、室外，GNSS信号、UWB信号、激光匹配等过渡区域时，自动选择最佳定位方式，全程定位过程无缝衔接。创造性的通过所述深度视觉定位系统18获取一些环境特征为线索，再融合 GNSS，UWB，二维激光传感器、等可行的机器人定位方案，实现了各定位方式的无缝切换，克服全局定位信息受环境影响大以及惯性器件长时间漂移的缺陷，实用性强，稳定性好，进一步提高巡逻机器人定位定向精度，为精确导航提供基础信息。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种巡逻机器人定位系统，其特征在于：包括主控计算单元，以及分别与其连接且协同作用的GNSS模块、UWB系统、激光雷达、IMU惯性测量单元、码盘、深度视觉定位系统和充电感应模块，所述UWB系统包括标签及三个以上基站，所述标签用于接收所述基站发送的信号，所述主控计算单元、所述标签、所述GNSS模块、所述激光雷达、所述IMU惯性测量单元、所述码盘、所述深度视觉定位系统和所述充电感应模块皆设于机器人。

2.根据权利要求1所述的巡逻机器人定位系统，其特征在于：所述激光雷达为二维激光传感器。

3.根据权利要求1所述的巡逻机器人定位系统，其特征在于：所述GNSS模块的数量为2个。

4.根据权利要求1所述的巡逻机器人定位系统，其特征在于：所述UWB系统的数量为2个。

5.根据权利要求1所述的巡逻机器人定位系统，其特征在于：所述主控计算单元内置ekf算法模块和粒子滤波算法模块。