CN105929821A - 一种机器人精确定位及自动返航充电*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人精确定位及自动返航充电***，通过拍摄装置和激光扫描装置对机器人的当前位置进行拍摄和扫描之后和存储的三维立体地图比对，精确定位机器人的当前位置。根据精确定位获得机器人返航至充电位置的路径距离以及蓄电池的剩余电量，根据剩余电量以及精确定位后的机器人返航至充电位置的路径距离获得机器人从当前位置匀速返航至充电位置的最短路径距离或最长时间，结合预设的返航速度获得机器人从当前位置返航至充电位置所需的实际时间，测得剩余电量在当前位置的返航时间接近所述最长时间或者返航距离接近所述最短路径距离时机器人返航充电。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体涉及一种机器人精确定位及自动返航充电***。
背景技术
机器人的室内定位技术大多采用短距离无线定位技术，尤其采用超声波定位技术的最为常见。但是，该技术存在以下缺陷：超声波在传输过程中衰减明显，受多径效应和非视距传播影响，这些缺点导致该技术基本只能用于无人且环境较空旷场所。同时，在路径较为复杂的场所，定位准确性较差。
同时，机器人的电量存储多通过携带的蓄电池存储，在行走一定时间后，机器人由于电量消耗，必须返航充电以防止电量消耗完毕无法返航或者不能返航至充电地点。但是目前大多数机器人无法实现自动检测自动返航充电的功能，该问题为本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机器人精确定位及自动返航充电***，能够提高机器人定位的准确性，同时，机器人能够自主判断在合适的位置返航进行充电，以保证巡检过程中的连续性。
为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种机器人精确定位及自动返航充电***，包括设在机器人上的驱动装置、蓄电池、行走执行机构、拍摄三维图像的拍摄装置、进行二维扫描的激光扫描装置，计量机器人运行距离的里程计数装置、电量检测装置、返航距离测定装置，还包括：
主控装置，所述主控装置与所述驱动装置、行走执行机构、拍摄装置、激光扫描装置、里程计数装置、电量检测装置、返航距离测定装置相连；
所述主控装置包括：
计数模块，获取所述里程计数装置计量的机器人从初始位置行走至当前位置的行走距离；
存储模块，存储设定路径的三维立体地图；接收所述行走距离；根据所述行走距离确定机器人当前在所述三维立体地图中的区域位置；获取所述激光扫描装置扫描的二维坐标数据以及所述拍摄装置拍摄的三维图像；在所述区域位置内，将所述二维坐标数据与所述三维立体地图比对或者将所述三维图像与所述三维立体地图比对，精确定位机器人的当前位置；
所述返航距离测定装置获取精确定位机器人的所述当前位置，并检测从所述当前位置至充电位置的路径距离；
信息采集和传递模块，获取所述电量检测装置检测的蓄电池的剩余电量；
返航路径预测模块，获得蓄电池电量值，当蓄电池电量为满电量时，根据设定路径总长及机器人运行平均功耗获得机器人返航时匀速运行的最长距离或最长时间；接收所述剩余电量以及至充电位置的路径距离，获得机器人从当前位置匀速返航至充电位置的最短路径距离或最长时间；
数据处理模块，接收所述获得的最短路径距离或最长时间，结合预设的返航速度获得机器人从当前位置返航至充电位置所需的实际时间，当得到剩余电量在当前位置的返航时间接近所述最长时间或者返航距离接近所述最短路径距离时，发送启程返航触发信号到机器人行走执行机构。
本发明提供的机器人精确定位及自动返航充电***，通过拍摄装置和激光扫描装置对机器人的当前位置进行拍摄和扫描，之后和主控装置中存储的三维立体地图比对，精确定位机器人的当前位置。根据精确定位的机器人的当前位置获得机器人返航至充电位置的路径距离，同时，获取蓄电池的剩余电量。主控中的返航路径预测模块，将蓄电池满电量时根据设定路径总长及机器人运行平均功耗获得机器人返航时匀速运行的最长距离或最长时间；并接收剩余电量以及精确定位后的机器人返航至充电位置的路径距离，并获得机器人从当前位置匀速返航至充电位置的最短路径距离或最长时间，数据处理模块，接收所述获得的最短路径距离或最长时间，结合预设的返航速度获得机器人从当前位置返航至充电位置所需的实际时间，当得到剩余电量在当前位置的返航时间接近所述最长时间或者返航距离接近所述最短路径距离时，发送启程返航触发信号到机器人行走执行机构。
本发明中，蓄电池满电量时，根据机器人的平均匀速运行速度进行估测，得到机器人在整个路径行走中的最长时间或者能够行走的最长距离。在机器人行走过程中，不断获取蓄电池的剩余电量，同时检测机器人精确定位后的当前位置至充电位置的路径距离。同时，设置机器人返航充电时的路径不一定按照之前行走时的原路径返回，即就是会重新找到一条返航的最短路径行走，所以，当获得剩余电量在当前位置的返航时间接近所述最长时间时，机器人需要返航充电，或者检测到的返航距离接近所述最短路径距离时，发送启程返航触发信号到机器人行走执行机构返航充电。
本发明提供的机器人精确定位及自动返航充电***，能够在对机器人精确定位的基础上，机器人自主判断在合适的当前位置返航充电，确保机器人巡检过程的连续性。
进一步地，所述电量检测装置为获取所述蓄电池当前电压值的蓄电池检测仪。
进一步地，所述行走执行机构包括头部和用于带动机器人行走的行动轮，所述两个行动轮设在机器人的底部，所述头部设在机器人的顶部，所述头部和两个行动轮均通过转轴与机器人主体连接。
进一步地，所述驱动装置为四驱电动机，所述行动轮至少包括四个。
进一步地，所述返航距离测定装置设在所述机器人的头部，所述返航距离测定装置为激光测距仪或超声波测距仪。
进一步地，所述激光扫描装置扫描的最大角度为190°，扫描精度为±15mm，扫描的最远距离为80米。
进一步地，所述拍摄装置为双目立体相机。
进一步地，所述里程计数装置为码盘。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明公开了一种机器人精确定位及自动返航充电***，通过拍摄装置和激光扫描装置对机器人的当前位置进行拍摄和扫描之后和存储的三维立体地图比对，精确定位机器人的当前位置。根据精确定位获得机器人返航至充电位置的路径距离以及蓄电池的剩余电量，根据剩余电量以及精确定位后的机器人返航至充电位置的路径距离获得机器人从当前位置匀速返航至充电位置的最短路径距离或最长时间，结合预设的返航速度获得机器人从当前位置返航至充电位置所需的实际时间，测得剩余电量在当前位置的返航时间接近所述最长时间或者返航距离接近所述最短路径距离时机器人返航充电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
图1为本发明提供的一种机器人精确定位及自动返航充电***中机器人的结构示意图；
图2为本发明提供的一种机器人精确定位及自动返航充电***模块图；
其中：1.机器人，2.头部，3.行动轮，4.驱动装置，5.蓄电池，6.拍摄装置，7.激光扫描装置，8.里程计数装置，9.电量检测装置，10.返航距离测定装置，11.主控装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。
如图1所示，机器人精确定位及自动返航充电***，包括设在机器人1上的驱动装置4、蓄电池5、行走执行机构、拍摄三维图像的拍摄装置6、进行二维扫描的激光扫描装置7、计量机器人1运行距离的里程计数装置8、电量检测装置9和返航距离测定装置10，还包括：
主控装置11，所述主控装置11与所述驱动装置4、行走执行机构、拍摄装置6、激光扫描装置7、里程计数装置8、电量检测装置9、返航距离测定装置10相连。
所述主控装置11包括：计数模块，存储模块，信息采集和传递模块，返航路径预测模块，数据处理模块；
所述计数模块，获取所述里程计数装置8计量的机器人1从初始位置行走至当前位置的行走距离；
所述存储模块，存储设定路径的三维立体地图；接收所述行走距离；根据所述行走距离确定机器人1当前在所述三维立体地图中的区域位置；获取所述激光扫描装置7扫描的二维坐标数据以及所述拍摄装置6拍摄的三维图像；在所述区域位置内，将所述二维坐标数据与所述三维立体地图比对或者将所述三维图像与所述三维立体地图比对，精确定位机器人1的当前位置；所述返航距离测定装置10获取精确定位机器人1的所述当前位置，并检测从所述当前位置至充电位置的路径距离；
所述信息采集和传递模块，获取所述电量检测装置9检测的蓄电池5的剩余电量；
所述返航路径预测模块，获得蓄电池5电量值，当蓄电池5电量为满电量时，根据设定路径总长及机器人1运行平均功耗获得机器人1返航时匀速运行的最长距离或最长时间；接收所述剩余电量以及至充电位置的路径距离，获得机器人1从当前位置匀速返航至充电位置的最短路径距离或最长时间；
所述数据处理模块，接收所述获得的最短路径距离或最长时间，结合预设的返航速度获得机器人1从当前位置返航至充电位置所需的实际时间，当得到剩余电量在当前位置的返航时间接近所述最长时间或者返航距离接近所述最短路径距离时，发送启程返航触发信号到机器人1行走执行机构。
也就是，机器人1行走过程中，判断是否需要返航，可以通过电量检测装置9和返航距离测定装置10测得的电量参数或者距离参数决定是否需要返航。
具体包括：蓄电池5满电量机器人1还未行走时，返航路径预测模块6-2根据设定的机器人1需要行走的路径总长以及机器人1运行的平均功耗，获得机器人1匀速返航至充电室所能够行走的最长距离和最长时间。
机器人1行走过程中，持续行走，蓄电池5不断的消耗电量，返航距离测定装置10实时测得机器人1的当前位置经原路返回时距离充电室的实际距离，同时电量检测装置9实时测得蓄电池5的剩余电量，并通过信息采集和传递模块反馈给返航路径预测模块，返航路径预测模块根据该实际距离得到机器人1的实际所在位置，获得的最短路径距离获得机器人1返航时可以行走的最短路径距离，数据处理模块接收获得的最短路径距离，结合预设的返航速度获得机器人1从当前位置返航至充电位置所需的实际时间，当该最短路径距离接近机器人1按照平均功耗匀速返航的最短距离时，发送启程返航触发信号到机器人1行走执行机构，机器人1返航。
或者，当机器人1在巡检过程中，需要在某个地点长时间停留时，虽然未行走，但是，蓄电池5的电量还是在不断消耗中，此时，电量检测装置9依然实时测得蓄电池5的剩余电量，返航距离测定装置10实时测得机器人1的当前位置经原路返回时距离充电室的实际距离，并通过信息采集和传递模块反馈给返航路径预测模块，返航路径预测模块根据剩余电量以及至充电室的距离，获得机器人1从当前位置匀速返航至充电位置的最长时间。数据处理模块，接收获得的最长时间，结合预设的返航速度获得机器人1从当前位置返航至充电位置所需的实际时间，当得到剩余电量在当前位置的返航时间接近所述最长时间时，发送启程返航触发信号到机器人1行走执行机构。
其中的主控装置11可以通过PLC控制面板或者其它行业内使用的工控设备来实现。
其中的激光扫描装置7的扫描角度最大为190°，扫描精度为±15mm，扫描的最大距离为80米。优选为ZLDS200激光扫描仪，该激光扫描仪具有精确度高、稳定性好、消除死角扫描、测量速度快、全方位扫描等优点。
具体操作时，蓄电池5提供动力，伺服电机驱动机器人1行走，设置在机器人1底部的行动轮3向前滚动，同时，机器人1的头部2也会根据不同路径转动至不同方向。
机器人1上设置的码盘随时记录机器人1的行走距离，因为码盘与主控装置11连接，主控装置11中的计数模块能够获取码盘上的记录的机器人1行走的里程数。根据码盘记录的里程数，能够大致确定机器人1此时在三维立体地图中的区域位置，为之后的精确定位缩小比对范围。同时，双目立体相机和激光扫描仪实时拍摄和扫描机器人1当前位置环境，缩小了比对范围之后，根据激光扫描仪扫描的二维坐标数据，能够快速地精确定位机器人1的当前位置。但是，在开阔区域内，扫描点相对较少，使用二维坐标数据定位较困难，此时可以根据双目立体相机拍摄的三维图像与区域范围内的三维立体地图比对，同样也能快速精确定位机器人1的当前位置。
精确定位后的机器人1，主控装置11中的返航路径预测模块根据剩余电量和距离充电位置的返航距离，判断机器人1返航的最短距离或者最长时间，数据处理模块，将该最短路径距离或最长时间，结合预设的返航速度获得机器人1从当前位置返航至充电位置所需的实际时间，当得到剩余电量在当前位置的返航时间接近所述最长时间或者返航距离接近所述最短路径距离时，机器人1返航充电。
通常机器人1在行走过程中均保持匀速行走，所以，在蓄电池5满电量时预测的最长行走距离和最长运行时间，以及返航的时间和距离，计算标准也都以该速度为计算依据。
以上，虽然说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式只是作为例子提出的，并非用于限定本发明的范围。对于这些新的实施方式，能够以其他各种方式进行实施，在不脱离本发明的要旨的范围内，能够进行各种省略、置换、及变更。这些实施方式和其变形，包含于本发明的范围和要旨中的同时，也包含于权利要求书中记载的发明及其均等范围内。
Claims (8)
1.一种机器人精确定位及自动返航充电***，其特征在于，包括设在机器人上的驱动装置、蓄电池、行走执行机构、拍摄三维图像的拍摄装置、进行二维扫描的激光扫描装置，计量机器人运行距离的里程计数装置、电量检测装置、返航距离测定装置，还包括：
主控装置，所述主控装置与所述驱动装置、行走执行机构、拍摄装置、激光扫描装置、里程计数装置、电量检测装置、返航距离测定装置相连；
所述主控装置包括：
计数模块，获取所述里程计数装置计量的机器人从初始位置行走至当前位置的行走距离；
存储模块，存储设定路径的三维立体地图；接收所述行走距离；根据所述行走距离确定机器人当前在所述三维立体地图中的区域位置；获取所述激光扫描装置扫描的二维坐标数据以及所述拍摄装置拍摄的三维图像；在所述区域位置内，将所述二维坐标数据与所述三维立体地图比对或者将所述三维图像与所述三维立体地图比对，精确定位机器人的当前位置；所述返航距离测定装置获取精确定位机器人的所述当前位置，并检测从所述当前位置至充电位置的路径距离；
信息采集和传递模块，获取所述电量检测装置检测的蓄电池的剩余电量；
返航路径预测模块，获得蓄电池电量值，当蓄电池电量为满电量时，根据设定路径总长及机器人运行平均功耗获得机器人返航时匀速运行的最长距离或最长时间；接收所述剩余电量以及至充电位置的路径距离，获得机器人从当前位置匀速返航至充电位置的最短路径距离或最长时间；
数据处理模块，接收所述获得的最短路径距离或最长时间，结合预设的返航速度获得机器人从当前位置返航至充电位置所需的实际时间，当得到剩余电量在当前位置的返航时间接近所述最长时间或者返航距离接近所述最短路径距离时，发送启程返航触发信号到机器人行走执行机构。
2.根据权利要求1所述的一种机器人精确定位及自动返航充电***，其特征在于，所述电量检测装置为获取所述蓄电池当前电压值的蓄电池检测仪。
3.根据权利要求1所述的机器人精确定位及自动返航充电***，其特征在于，所述行走执行机构包括头部和用于带动机器人行走的行动轮，所述行动轮设在机器人的底部，所述头部设在机器人的顶部，所述头部和行动轮均通过转轴与机器人主体连接。
4.根据权利要求3所述的机器人精确定位及自动返航充电***，其特征在于，所述驱动装置为四驱电动机，所述行动轮至少包括四个。
5.根据权利要求3所述的机器人精确定位及自动返航充电***，其特征在于，所述返航距离测定装置设在所述机器人的头部，所述返航距离测定装置为激光测距仪或超声波测距仪。
6.根据权利要求1所述的机器人精确定位及自动返航充电***，其特征在于，所述激光扫描装置扫描的最大角度为190°，扫描精度为±15mm，扫描的最远距离为80米。
7.根据权利要求1所述的机器人精确定位及自动返航充电***，其特征在于，所述拍摄装置为双目立体相机。
8.根据权利要求1所述的机器人精确定位及自动返航充电***，其特征在于，所述里程计数装置为码盘。
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