CN105563485A - 一种送餐机器人控制***及其运动轨迹控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种送餐机器人控制***及其运动轨迹控制方法，它包括控制板，所述控制板通过串口与带有里程计算功能的电机驱动器连接，电机驱动器能够驱动机器人的左轮电机和右轮电机，所述控制板连接有超宽带定位***、姿态传感器和红外和超声波模块；本发明具有精度高、稳定性好、性价比高的优点。其不需要铺设导航轨道，可以实现按预设的路径自主行走，当餐厅布局改变时，该方法不要施工，只需要在软件中修改预设轨迹即可工作。
Description
技术领域
本发明属于自动化控制技术领域，具体讲就是涉及一种送餐机器人控制***及其运动轨迹控制方法，提高了送餐机器人运行轨迹的精确性。
背景技术
随着科技和工业的发展，智能机器人由于其具有的巨大功能越来越得到广泛关注，智能机器人的使用行业从工业生产行业逐步发展到替代人们生活中的某些工作岗位，尤其在服务行业，家政服务机器人，餐厅送餐机器人等等受到广大消费者的欢迎，送餐机器人不仅是让就餐者体验先进的机器人技术，更重要的是增加机器人的智能性和实用性，从而代替服务员，解决餐饮行业服务员的缺口。
但是目前市场上在使用送餐机器人绝大多数都采用循迹控制模式，如山东大陆科技有限公司的专利号为201210180494.7公开的一种送餐机器人，包括可沿导轨运行的主体，主体包括头部组件、躯干部组件和机器人手臂，机器人手臂水平托举有餐盘，主体内设置有控制器以及与控制器连接的动力装置、驱动装置、行走装置、无线信号传输装置和语音装置，导轨为磁性导轨，主体上设置有循迹定位装置和避障装置；该种送餐机器人结构简单，不需要复杂的图像运算，节省电能，增加了运行时间。但是这种传统的送餐机器人只能沿着铺设的磁条或色带行走，不但会改变餐厅现有的装修风格，影响美观，也增加了安装成本。为了解决上述难题，市面上出现了不依赖固定导轨行走，能自主定位和导航的送餐机器人，其采用激光或视觉定位和导航，虽然可以克服上述缺点，但增加了成本，难于在餐饮行业推广。其它采用Zigbee定位技术、惯性定位技术等虽然具有成本低、安装方便等优点，但定位精度和稳定性较差，不能很好地满足送餐机器人定位精度高、稳定性好、成本低的要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有送餐机器人运动轨迹控制方法精度低，可靠性差，成本高的技术缺陷，提供一种送餐机器人控制***及其运动轨迹控制方法，具有精度高、稳定性好、性价比高的优点。其不需要铺设导航轨道，可以实现按预设的路径自主行走，当餐厅布局改变时，该方法不要施工，只需要在软件中修改预设轨迹即可工作。
技术方案
为了实现上述技术目的，本发明设计一种送餐机器人控制***，其特征在于：它包括控制板，所述控制板通过串口与带有里程计算功能的电机驱动器连接，电机驱动器能够驱动机器人的左轮电机和右轮电机，所述控制板连接有超宽带定位***、姿态传感器和红外和超声波模块；
所述超宽带定位***包括参考节点、机器人上的移动节点和定位引擎服务器，参考节点和机器人上的移动节点之间通过超宽带通信，服务器和机器人上的移动节点之间通过无线数传方式传输数据，服务器通过无线数传方式接收控制板传来的左右电机的里程信息。
所述控制板，机器人上的移动节点和姿态传感器，红外和超声波模块及电机驱动器通过电池模块供电。
上述送餐机器人控制***的运动轨迹控制方法，其特征在于，它包括以下几个步骤:
(1)根据餐厅布局确定各餐桌的位置坐标和送餐机器人行走轨迹的坐标区间；
(2)机器人根据操作人员选定的目标桌位确定目的坐标，然后根据目的坐标选定行走路径；
(3)从姿态传感器读取运动姿态信息，调整运动姿态后开始运动；
(4)执行定位算法得到即时位置坐标，判断位置坐标是否在预定轨迹范围内，如果在预定的轨迹范围运行，则保持此姿态继续行走，如果超出预定的轨迹范围，则调整运行姿态。
进一步，所述步骤(4)中调整运行姿态的具体方法是若向左超出预定轨迹，则左轮速度加大，若向右超出预测范围，则右轮速度加大；以偏离中心的位移量和当前的航向角为输入，以左右轮的速度差为输出，实现在线模糊控制。
进一步，所述步骤(4)中执行定位算法得到即时位置坐标的具体步骤是：
(a)在取餐处对里程计定位位置进行初始化，消除在每一次送餐过程中的累计误差。
(b)采用里程计定位算法得到即时送餐机器人的位置增量和位置坐标；
(c)然后通过机器人运动速度和位移判断超宽带定位***工作是否正常，若机器人速度大于零，且位移与上个控制周期相比发生变化，但超宽带定位***返回到各参考节点的距离没变，则判断为超宽带定位工作不正常，则采用里程计得到的位置增量和上次位置信息为当前即时位置坐标；若超宽带信号工作正常，则采用超宽带定位的结果与里程计定位结果通过卡尔曼滤波算法进行融合得到当前即时位置坐标。
有益效果
本发明提供一种送餐机器人控制***及其运动轨迹控制方法，具有精度高、稳定性好、性价比高的优点。其不需要铺设导航轨道，可以实现按预设的路径自主行走，当餐厅布局改变时，该方法不要施工，只需要在软件中修改预设轨迹即可工作。
附图说明
附图1是本发明中控制***结构图。
附图2是本发明中运动轨迹控制控制流程图。
附图3是本发明中定位算法流程图。
附图4是本发明中定位曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步说明。
实施例
如附图1所示，一种送餐机器人控制***，它包括控制板1，所述控制板1通过串口与带有里程计算功能的电机驱动器2连接，电机驱动器2能够驱动机器人的左轮电机3和右轮电机4，所述控制板1连接有超宽带定位***5、姿态传感器6和红外和超声波模块7；
所述超宽带定位***5包括参考节点501、机器人上的移动节点502和定位引擎服务器503，参考节点501和机器人上的移动节点502之间通过超宽带通信，定位引擎服务器503和机器人上的移动节502点之间通过无线数传方式传输数据，定位引擎服务器503通过无线数传方式接收控制板1传来的左轮电机3和右轮电机4的里程信息。
所述控制板1，机器人上的移动节点502和姿态传感器6，红外和超声波模块7及电机驱动器2通过电池模块供电。
如附图2所示，送餐机器人控制***的运动轨迹控制方法，其特征在于，它包括以下几个步骤:
第一步，根据餐厅布局确定各餐桌的位置坐标和送餐机器人行走轨迹的坐标区间；
第二步，机器人根据操作人员选定的目标桌位确定目的坐标，然后根据目的坐标选定行走路径；
第三步，从姿态传感器读取运动姿态信息，调整运动姿态后开始运动；
第四步，执行定位算法得到即时位置坐标，判断位置坐标是否在预定轨迹范围内，如果在预定的轨迹范围运行，则保持此姿态继续行走，如果超出预定的轨迹范围，则调整运行姿态。调整运行姿态的具体方法是若向左超出预定轨迹，则左轮速度加大，若向右超出预测范围，则右轮速度加大；以偏离中心的位移量和当前的航向角为输入，以左右轮的速度差为输出，实现在线模糊控制。
如附图3所示，所述第四步中执行定位算法得到即时位置坐标的具体步骤是：
第一步，在取餐处对里程计定位位置进行初始化，消除在每一次送餐过程中的累计误差。
第二步，采用里程计定位算法得到即时送餐机器人的位置增量和位置坐标；
第三步，然后通过机器人运动速度和位移判断超宽带定位***工作是否正常，若机器人速度大于零，且位移与上个控制周期相比发生变化，但超宽带定位***返回到各参考节点的距离没变，则判断为超宽带定位工作不正常，则采用里程计得到的位置增量和上次位置信息为当前即时位置坐标；若超宽带信号工作正常，则采用超宽带定位的结果与里程计定位结果通过卡尔曼滤波算法进行融合得到当前即时位置坐标。
本实施例中左轮电机3和右轮电机4实现机器人的运行速度和转向控制；电机驱动器2将24V直流电压变换成可调电压控制左轮电机3和右轮电机4的运转，同时计算电机旋转的圈数，通过串口接收控制板1的控制指令并发送电机旋转的圈数。定位***采用超宽带和里程计定位融合的方法，超宽带定位算法在定位引擎服务器503中运算；定位引擎服务器503同时通过无线数传方式接收控制板传来的左右电机的里程信息并做基于里程计的定位运算；然后通过融合算法得到机器人的实时位置坐标，并将定位结果通过无线数传方式传给机器人上的控制板1。红外和超声波模块7实现障碍物检测，能够实时检测出不同高度的障碍物，遇到障碍物时机器人停止运动，并语音播报。
进一步，本实施例采用具体型号按照上述方法连接及控制，左轮电机3和右轮电机4选用100W无刷直流电机，配100W双路电机驱动器2，电机驱动器2通过RS-232与控制板1通讯，可以通过指令控制电机起停和运行速度，同时可以返回电机旋转的圈数用于计算行走位移。控制板1采用STM32***实现，带有RS-232和无线数传方式通讯接口。红外和超声波模块7通过IO口送入控制板1用于避障控制。第一电池模块8供电和第二电池模块9采用24V锂电池。超宽带定位***5采用四个固定节点和一个移动节点，定位算法在服务器中实现，位置刷新频率为2～30Hz可选。
超宽带定位***5的四个固定参考节点501分别安放在20×20m的空间的四个角，安装高度为2.5m。移动节点安放在轮式机器人上，安装高度为1.3m。机器人两轮之间间距为390mm，轮子直径为200mm。超宽带定位***5的位置刷新频率取10Hz，里程计采样周期取50Hz，轨迹控制周期取200ms；电机转速设置为1000rpm，换算成机器人运行速度为0.28m/s。当机器人沿直线X＝10m行走时(从Y＝1m沿着Y增大的方向运行)，单独采用UWB定位方法和采用UWB与里程计相结合的定位方法的定位曲线如附图4所示。
从图4中可以看出，当单独采用超宽带定位***5定位时，定位结果波动较大，基本在±10cm内波动，这可能会导致机器人轨迹控制的误操作，从而引起机器人控制平稳性和循迹精度变差。当采用基于UWB和里程计融合算法实现定位时，定位误差波动较小，基本在±4cm以内，完全满足送餐机器人轨迹控制的要求。
Claims (5)
1.一种送餐机器人控制***，其特征在于：它包括控制板，所述控制板通过串口与带有里程计算功能的电机驱动器连接，电机驱动器能够驱动机器人的左轮电机和右轮电机，所述控制板连接有超宽带定位***、姿态传感器和红外和超声波模块；
所述超宽带定位***包括参考节点、机器人上的移动节点和定位引擎服务器，参考节点和机器人上的移动节点之间通过超宽带通信，服务器和机器人上的移动节点之间通过无线数传方式传输数据，服务器通过无线数传方式接收控制板传来的左右电机的里程信息。
2.如权利要求1所述的一种送餐机器人控制***，其特征在于：所述控制板，机器人上的移动节点和姿态传感器，红外和超声波模块及电机驱动器通过电池模块供电。
3.上述任一项权利要求所述的送餐机器人控制***的运动轨迹控制方法，其特征在于，它包括以下几个步骤:
(1)根据餐厅布局确定各餐桌的位置坐标和送餐机器人行走轨迹的坐标区间；
(2)机器人根据操作人员选定的目标桌位确定目的坐标，然后根据目的坐标选定行走路径；
(3)从姿态传感器读取运动姿态信息，调整运动姿态后开始运动；
(4)执行定位算法得到即时位置坐标，判断位置坐标是否在预定轨迹范围内，如果在预定的轨迹范围运行，则保持此姿态继续行走，如果超出预定的轨迹范围，则调整运行姿态。
4.如权利要求3所述的送餐机器人控制***的运动轨迹控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中调整运行姿态的具体方法是若向左超出预定轨迹，则左轮速度加大，若向右超出预测范围，则右轮速度加大；以偏离中心的位移量和当前的航向角为输入，以左右轮的速度差为输出，实现在线模糊控制。
5.如权利要求3所述的送餐机器人控制***的运动轨迹控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中执行定位算法得到即时位置坐标的具体步骤是：
(a)在取餐处对里程计定位位置进行初始化，消除在每一次送餐过程中的累计误差。
(b)采用里程计定位算法得到即时送餐机器人的位置增量和位置坐标；
(c)然后通过机器人运动速度和位移判断超宽带定位***工作是否正常，若机器人速度大于零，且位移与上个控制周期相比发生变化，但超宽带定位***返回到各参考节点的距离没变，则判断为超宽带定位工作不正常，则采用里程计得到的位置增量和上次位置信息为当前即时位置坐标；若超宽带信号工作正常，则采用超宽带定位的结果与里程计定位结果通过卡尔曼滤波算法进行融合得到当前即时位置坐标。
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