CN102818568A - 室内机器人的定位与导航***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种室内机器人的定位和导航***，包括光标记发射器，用于向固定的表面形成光标记，光标记在所述固定的表面的位置与机器人在其运动区域内所处的位置一一对应；无线模块，用于接收导航信号；运动控制模块，用于根据接收到的导航信号生成相应的驱动控制信号；运动机构，用于根据驱动控制信号运行以带动机器人移动；光标记检测器，用于检测光标记，并确定光标记的坐标；定位导航模块，用于根据光标记的坐标定位机器人在其运动区域内的位置，并且根据目标位置和机器人的位置规划和修正移动路径，生成导航信号；无线模块，用于发送所述导航信号。还公开一种应用于上述***的方法。上述方法和***定位准确、路径规划灵活且成本较低。

Description

室内机器人的定位与导航***及方法

技术领域

本发明涉及室内机器人技术领域，特别是涉及一种室内机器人的定位和导航***和一种室内机器人的定位和导航方法。

背景技术

室内移动机器人的定位导航技术是室内移动机器人领域的一个重点研究热点。在相关技术研究中，定位与导航技术是移动机器人实现智能化和完全自主移动的关键。对定位与导航技术的研究，其目的在于使移动机器人在无人干预的条件下使其沿规划的任意路径移动并完成指定的任务。

机器人的定位导航通常可以采用下列方法实现。

1）基于路标，机器人通过在拍摄的图像中识别路标得知所处的位置以及目标位置。该方式中，由于路标常常放置于地面上，容易被周围过往的其他机器人所干扰，也容易人为损坏。此外，简单的路标虽然图像处理简单，但是不具备纠错性，而复杂的路标虽然具有完整数据纠错性，但是图案过于复杂，运算复杂度高，对摄像头要求也较高，实时性差。最后，基于路标的方法，只能让机器人沿着已经铺设的路径运动，路径改变困难，不能实现真正意义上的自主化，不容易扩展到大环境下的机器人室内定位导航。

2）采用摄像头直接拍摄机器人进行定位。该方法中，对摄像头的安装有较高要求，而且在不复杂背景情况下，要想实现准确的检测通常较为麻烦。

3）采用激光或者超声阵列，结构复杂，成本相对过高。

4）读取电极码盘，对电机要求较高，通常有较大的累积误差，而且由于不是绝对位置的定位，在家庭环境并不实用。

发明内容

基于此，有必要提供一种定位准确、路径规划灵活且成本较低的室内机器人的定位与导航***。

此外，还提供一种室内机器人的定位与导航方法。

一种室内机器人的定位和导航***，包括可自由移动的机器人和固定的定位导航器，所述机器人包括：光标记发射器，用于向固定的表面形成光标记，所述光标记在所述固定的表面的位置与机器人在其运动区域内所处的位置一一对应；无线模块，用于接收导航信号；运动控制模块，用于根据接收到的导航信号生成相应的驱动控制信号；运动机构，用于根据所述驱动控制信号运行以带动机器人移动；所述定位导航器包括：光标记检测器，用于检测所述光标记，并确定所述光标记的坐标；定位导航模块，用于根据所述光标记的坐标定位机器人在其运动区域内的位置，并且根据目标位置和机器人的位置规划和修正移动路径，生成导航信号；无线模块，用于发送所述导航信号。

在其中一个实施例中，所述光标记发射器为红外激光器，所述光标记检测器为红外摄像机。

在其中一个实施例中，所述红外激光器发射的光标记为光栅、光斑或条码。

在其中一个实施例中，所述光标记的数量为两个以上。

在其中一个实施例中，所述机器人的运动区域为室内的地面，所述固定的表面为与地面相对的天花板。

在其中一个实施例中，所述光标记发射器将光标记自地面向天花板垂直投射。

在其中一个实施例中，所述运动机构包括电机和由电机驱动的车轮，所述电机根据驱动控制信号以相应的转速驱动所述车轮。

在其中一个实施例中，所述运动结构还包括转向轮。

在其中一个实施例中，所述机器人还包括用于探测运动路径上的障碍物的超声探测器。

一种室内机器人的定位和导航方法，用于在包括可自由移动的机器人和固定的定位导航器的定位与导航***中，由定位导航器对机器人进行导航，包括：机器人在固定的表面形成光标记，所述光标记在所述固定的表面的位置与机器人在其运动区域内所处的位置一一对应；定位导航器检测所述光标记，并确定所述光标记的坐标，以及根据所述光标记的坐标定位机器人在其运动区域内的位置，并且根据目标位置和机器人的位置规划和修正移动路径，生成并发送导航信号；机器人接收并根据所述导航信号向目标位置运动。

上述室内机器人的定位和导航方法及***，由于采用机器人发射的光标记进行定位和导航，其可以避免采用路标识别的各种问题，例如标记易损坏、定位不准确、路径规划不灵活等。另外，定位所采用的光标记发射器及光标记检测器可以采用低成本的设备，使得整个***的成本较低。

附图说明

图1为一实施例的室内机器人的定位和导航***模块图；

图2为是机器人的俯视结构示意图；

图3为是机器人的后视结构示意图；

图4是光标记发射及检测原理图；

图5是帧间坐标变化时的位置变化示意图；

图6是导航参数分析示意图。

具体实施方式

如图1所示，为一实施例的室内机器人的定位和导航***模块图。该定位和导航***10包括可自由移动的机器人100和固定的定位导航器200。机器人100在其运动区域内自由移动，定位导航器200对机器人100进行定位和导航。

机器人100包括光标记发射器101、无线模块102、运动控制模块103以及运动机构104。

光标记发射器101用于向固定的表面300发射光线形成光标记，机器人移动时，带动光标记发射器101移动，光标记在固定的表面300的位置也随之移动。光标记在固定的表面300的位置与机器人100在其运动区域内所处的位置一一对应，从而通过对光标记在固定的表面300的位置的确定，可以确定机器人100在运动区域内的位置。在室内运动的机器人，其运动区域就是房间里的地面，因此将与地面相对的天花板作为光标记投射的表面，并且自地面向天花板垂直投射可以非常简单地实现机器人所处位置与光标记的位置一一对应。优选地，光标记发射器101为红外激光器。红外激光器发射的红外光形成光标记用于位置检测，不会受到照明条件的限制。在其他实施例中，光标记发射器101还可以是可见光发射器或者其他形式的不可见光发射器，只要其发射的光标记可被相应的光标记检测器检测到即可。

请参考图2，是机器人的俯视结构示意图。本实施例的红外激光器的数量为2个，相隔一定距离设置在机器人100顶部，并且出光方向与地面垂直。两个红外激光器可以在天花板上形成2个光标记。红外激光器发射的光标记可以为光栅、光斑或条码等易于识别的光图案。在其他实施例中光标记的数量也可以是一个，或者3个及以上。

无线模块102用于接收导航信号。无线模块102用于接收来自定位导航器200的导航信号。无线模块102可以采用符合多种无线通信协议的网络模块、例如WIFI模块、红外通信模块、蓝牙通信模块等。优选地，无线模块102采用无线串口通信模块。

运动控制模块103用于根据接收到的导航信号生成相应的驱动控制信号。导航信号为规划的路径信息，例如转向角度、行进距离等，由定位导航器200提供。导航信号经运动控制模块103处理后形成用于驱动运动机构104的驱动控制信号，例如电机驱动信号。此时运动控制模块103可以选用单片机，利用预先存储的程序对路径信息进行处理。导航信息也可以是已经经过定位导航器200处理后得到驱动控制数据，运动控制模块103直接应用该驱动控制数据驱动运动机构。此时运动控制模块103可以采用小型的专用驱动控制板，以减小机器人的体积和重量。

运动机构104用于根据所述驱动控制信号运行以带动机器人100移动。结合图1和图3，运动机构104包括电机141和由电机141驱动的车轮142。此时驱动控制信号就是电机控制信号，具体是电机的转速信号，电机则根据该转速信号以相应的转速运转，以驱动车轮142。在其他实施例中，运动结构104还可以是其他形式，例如电机驱动履带。如图3所示，运动机构104包括左右两对电机141和车轮142。对左右两个车轮分别用不同的速度驱动，可以让机器人100转向。

进一步地，运动结构104还包括转向轮143。转向轮143用于辅助机器人100转向。

进一步地，机器人100还包括用于探测运动路径上的障碍物的超声探测器105。超声探测器105在行进方向上不断发射超声波，并检测回波信号，通过计算回波信号返回的时间判定前方是否有障碍物，将判定结果发送到运动控制模块103，由运动控制模块103控制运动机构104转向绕障。

定位导航器200包括光标记检测器201、定位导航模块202以及无线模块203。

光标记检测器201用于检测所述光标记，并确定所述光标记的坐标。光标记检测器201优选为红外摄像机，用以检测前述的红外光标记。红外摄像机采用CMOS广角摄像头加上红外滤波片构成，并且将镜头进行畸变校正，使得拍摄图像点位置与实际空间点位置（即天花板上的坐标位置）呈线性对应关系。。在利用天花板作为光标记投射面时，定位导航器200固定在地面上，红外摄像机拍摄整个天花板（或者覆盖机器人活动区域的大部分天花板）的视频图像。当前述的光标记发射器101采用其他形式的光源时，光标记检测器201也相适应地采取可检测该光源的摄像机或其他形式的图像设备。

定位导航模块202用于根据所述光标记的坐标定位机器人在其运动区域内的位置，并且根据目标位置和机器人的位置规划和修正移动路径，生成导航信号。定位导航模块202红外摄像机摄取的视频流作为输入，分析视频帧中光标记的位置。并且根据对连续帧的分析，确定机器人当前的运动方向、速度以及转动的角速度等。进一步，根据目标位置和机器人当前位置规划和修正移动到目标位置的路径。

无线模块203用于将该导航信号发送到机器人100。

因此，定位导航模块202包括对机器人100的定位和对机器人100的导航。

以图2所示的机器人结构为例，说明定位方法如下。

如图4所示，机器人100在室内移动时，发射的激光将在天花板形成两个反射光斑。红外摄像头拍摄到天花板画面，通过设置灰度阈值进行分割，提取出两个反射光斑的位置。两个反射光斑的图像坐标记为(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，依照投影公式：

Q=M^-1q，其中， $q=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ w\end{array}\right],$ $M=\left[\begin{array}{ccc}{f}_x& 0& c_x\\ 0& f_y& c_y\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ $Q=\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]$

得到光斑在天花板的实际位置(X₁,Y₁)，(X₂,Y₂)。上面公式中，q表示图像点的坐标，Q表示空间点坐标，M为摄像头参数矩阵。

在这里，由于机器人上的红外激光器垂直安装，光斑在天花板的实际位置和小车在室内的位置直接对应。机器人在室内的实际坐标位置(X,Y)可用(X₁,Y₁)，(X₂,Y₂)的中点表示：

$(X,Y)=(\frac{X_1+X_2}{2},\frac{Y_1+Y_2}{2})$

设上一帧图像检测得到机器人在室内的实际坐标位置为(X＇,Y＇),则机器人在两帧之间运动的方向角α为：

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\frac{Y-Y^{\′}}{X-X^{\′}}$

由于激光发射器是对称安装于机器人左右两侧的，如图5所示，机器人的实际运动方向与(X₁,Y₁)，(X₂,Y₂)的连接线方向垂直，为：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left|\frac{X_2-X_1}{Y_2-Y_1}\right|$ 或者

依照机器人在两帧之间运动的连续性，机器人当前时刻实际的运动方向角θ取与α夹角小于90°的那个方向。

机器人当前时刻运动的速度V与旋转的角速度ω分别近似为：

$V=\frac{1}{t}\×\sqrt{{(X-X^{\′})}^2+{(Y-Y^{\′})}^2}$

$\mathrm{\ω}=\frac{1}{t}\×(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}^{\′})$

其中，t为两帧的时间差，θ＇为上一帧检测到的实际方向角。

以图2所示的机器人结构为例，说明导航方法如下。

如图6所示，假设目标位置坐标为(X₀,Y₀)，机器人当前运动方向θ与到目标位置的方向β的夹角e为：

$e=\mathrm{\θ}-\mathrm{\β}=\mathrm{\θ}-{\tan }^{-1}\frac{Y_0-Y}{X_0-X}$

机器人采用如下流程躲避障碍物，并到达目标位置；当机器人向目标位置移动时，超声探测器检测到前方是否有障碍物，如果有，沿着障碍物边缘移动，直到前方没有障碍物。

其中，控制机器人朝向目标位置移动时，采用如下的控制方法，以减小偏角e且保持一定运动速度为控制目标，由PID控制算法，得到机器人的两轮的控制目标速度V_L和V_R：

w＝P×e+D×(e-e＇)+I×∑e

V_L＝V₀+k×w

V_R＝V₀-k×w

其中，P、D、I分别为比例、微分、积分控制参数，可依据经验调节；w表示控制量；k为转换系数，由车轮的轮距、轮半径等决定；V₀为机器人的基准速度，在距离目标位置较远的位置，V₀可以较大，在距离目标位置较近的位置，V₀可以适当减小。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种室内机器人的定位和导航***，包括可自由移动的机器人和固定的定位导航器，其特征在于，

所述机器人包括：

光标记发射器，用于向固定的表面形成光标记，所述光标记在所述固定的表面的位置与机器人在其运动区域内所处的位置一一对应；

无线模块，用于接收导航信号；

运动控制模块，用于根据接收到的导航信号生成相应的驱动控制信号；

运动机构，用于根据所述驱动控制信号运行以带动机器人移动；

所述定位导航器包括：

光标记检测器，用于检测所述光标记，并确定所述光标记的坐标；

定位导航模块，用于根据所述光标记的坐标定位机器人在其运动区域内的位置，并且根据目标位置和机器人的位置规划和修正移动路径，生成导航信号；

无线模块，用于发送所述导航信号。

2.根据权利要求1所述的室内机器人的定位和导航***，其特征在于，所述光标记发射器为红外激光器，所述光标记检测器为红外摄像机。

3.根据权利要求2所述的室内机器人的定位和导航***，其特征在于，所述红外激光器发射的光标记为光栅、光斑或条码。

4.根据权利要求3所述的室内机器人的定位和导航***，其特征在于，所述光标记的数量为两个以上。

5.根据权利要求1所述的室内机器人的定位和导航***，其特征在于，所述机器人的运动区域为室内的地面，所述固定的表面为与地面相对的天花板。

6.根据权利要求5所述的室内机器人的定位和导航***，其特征在于，所述光标记发射器将光标记自地面向天花板垂直投射。

7.根据权利要求1所述的室内机器人的定位和导航***，其特征在于，所述运动机构包括电机和由电机驱动的车轮，所述电机根据驱动控制信号以相应的转速驱动所述车轮。

8.根据权利要求7所述的室内机器人的定位和导航***，其特征在于，所述运动结构还包括转向轮。

9.根据权利要求1所述的室内机器人的定位和导航***，其特征在于，所述机器人还包括用于探测运动路径上的障碍物的超声探测器。

10.一种室内机器人的定位和导航方法，用于在包括可自由移动的机器人和固定的定位导航器的定位与导航***中，由定位导航器对机器人进行导航，其特征在于，包括：

机器人在固定的表面形成光标记，所述光标记在所述固定的表面的位置与机器人在其运动区域内所处的位置一一对应；

定位导航器检测所述光标记，并确定所述光标记的坐标，以及根据所述光标记的坐标定位机器人在其运动区域内的位置，并且根据目标位置和机器人的位置规划和修正移动路径，生成并发送导航信号；

机器人接收并根据所述导航信号向目标位置运动。

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