CN108614563A - 一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法 - Google Patents

一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于服务型机器人和人工智能领域，特别是涉及一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法。具体步骤如下：（1）启动移动机器人，利用即时定位与地图构建模块（SLAM）建立环境地图；（2）通过超宽频测距测角模块测量机器人到目标的距离和目标相对机器人的偏角；（3）将步骤（2）所述的距离和角度转换成目标在步骤（1）所述地图中的坐标；（4）用SLAM模块中的路径规划算法，进行机器人当前坐标到目标坐标的路径规划，得到可达目标的路径；（5）利用SLAM控制调节并驱动机器人沿着步骤（4）所述路径向目标运动；（6）重复步骤（2）~（5），用人机交互模块控制机器人开始和结束跟随，以实现机器人跟随目标运动。本发明能有效解决跟随目标丢失问题，同时利用SLAM模块中的激光器扫描障碍物并实时进行路径规划实现动态避障，使移动机器人跟随目标轨迹行走更有效。

Description

一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法
技术领域
本发明属于服务型机器人和人工智能领域，特别是涉及一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法。
背景技术
现有移动机器人目标跟随技术分三类：一类是视觉识别目标跟随技术，利用视觉算法识别目标并通过处理，得到机器人到目标距离和相对角度，然后根据距离和角度调节机器人运动对目标进行跟随，从而达到机器人跟随目标轨迹移动的目的；另外一种是利用超宽频测距和测角技术，该技术测距模块分基站和标签两部分，基站安装在机器人端，标签为被跟随人手持端并随着人一起运动，通过该技术可直接测量机器人与目标距离和相对角度，然后利用距离和角度调节机器人运动进行跟随目标；最后一种是利用二维激光传感器扫描被跟随目标，目标反射回来的激光特性输出目标相对距离和相对角度，以此来调节控制机器人跟随目标运动，从而达到机器人跟随目标移动的目的。
通过视觉识别方法计算机器人相对目标的距离和角度，摄像头在拍摄目标的时候受光线强度影响很大、不能有效区分相似目标，导致容易跟丢或跟错目标；同样利用二维激光传感器扫描被跟随目标的方法也存在受到光线影响而难以辨别目标。视觉识别方法目标跟随、利用超宽频测距和测角技术和二维激光传感器扫描被跟随目标，其最终都是利用距离和角度为参数对机器人运动进行调节进而实现跟随，当目标和机器人之间有障碍物时，不能有效避开障碍物，容易造成机器人碰撞事故。
发明内容
本发明提供一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，其具体步骤如下：
（1）启动移动机器人，利用即时定位与地图构建模块（SLAM）建立环境地图；
（2）通过超宽频测距测角模块测量机器人到目标的距离和目标相对机器人的偏角；
（3）将步骤（2）所述的距离和角度转换成目标在步骤（1）所述地图中的坐标；
（4）用SLAM模块中的路径规划算法，进行机器人当前坐标到目标坐标的路径规划，得到可达目标的路径；
（5）利用SLAM控制调节并驱动机器人沿着步骤（4）所述路径向目标运动；
（6）重复步骤（2）~（5），用人机交互模块控制机器人开始和结束跟随，以实现机器人跟随目标运动。
所述的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，步骤（1）中所述的SLAM模块由SLAM算法控制器和激光雷达两部分组成；构建的地图为二维平面地图。
所述的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，步骤（2）中所述的超宽频测距测角模块由基站和标签两部分组成，基站安装在机器人本体上随机器人一起运动，标签安装在目标上随目标一起运动。
所述的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，步骤（2）中所述的距离为目标到机器人之间的距离；偏角为目标偏离机器人正向的角度，逆时针为正。
所述的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，步骤（3）中所述的将距离和角度转换成目标在步骤（1）所述地图中的坐标，该坐标是目标点在二维地图中的坐标并作为导航终点进行导航跟随。
所述的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，步骤（4）中所述的路径规划算法包括动态路径规划算法、局部路径规划算法和全局路径规划算法。
所述的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，步骤（4）中所述的路径规划，以机器人当前坐标为起点，目标坐标为导航终点进行的路径规划，路径为机器人当前坐标到目标坐标的一系列离散点坐标。
所述的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，步骤（5）中所述的SLAM控制调节包括速度、加速度、角速度、角加速度调节。
所述的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，步骤（6）中所述的人机交互包括视觉识别交互、语音交互、无线控制器交互和标签按键交互。
综上所述，本发明所产生的有益效果为：使用SLAM进行环境建图，使机器人能认知环境，从而在机器人运动过程中更好的进行路径规划和避障。把目标点到机器人的相对距离和相对角度转换成地图中的目标点的坐标，使机器人有效进行到目标点的路径规划。对目标点和机器人之间进行路径规划，使机器人跟有效的跟随目标同时使运动更平滑稳定。
前面所述的为本申请的概述，因此必然有简化、概括和细节省略的情况；本领域的技术人员应该认识到，概述部分仅是对本申请的说明，而不应看作是对本申请的任何限定。本说明书中描述的装置和/或方法和/或其他主题的其他方面、特征和优点将会由于本说明书的阐述而变得清晰。概述部分是用来以一种简化的方式导入多个将在以下具体实施方式部分进一步描述的概念。本概述部分既非用于确定所要求保护主题的关键特征或必要特征，也非用来作为确定所要求保护主题的范围的辅助手段。
附图说明
通过下面说明书和所附的权利要求书并与附图结合，就会更加充分地清楚理解本申请的上述和其他特征。应当理解，这些附图仅是对本申请若干实施方式的描述，不应认为是对本申请范围的限定，通过附图，本申请内容将会得到更加明确和详细地说明。
图1是本发明的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法的流程图。
具体实施方式
在下面的具体实施方式部分中，结合作为说明书一部分的附图进行说明。在附图中，相同/类似的标记通常表示相同/类似的部件，除非说明书中另有说明。具体实施方式、附图和权利要求书中描述的用来举例说明的实施方式不应认为是对本申请的限定。在不偏离本申请表述的主题的精神或范围的情况下，可以采用本申请的其他实施方式，并且可以对本申请做出其他变化。应该很容易理解，可以对本说明书中一般性描述的、附图中图解说明的本申请的各个方面进行各种不同构成的配置、替换、组合，设计，而所有这些改变都显然在预料之中，并构成本申请的一部分。
参照图1，一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，具体步骤如下：（1）启动移动机器人，利用即时定位与地图构建模块（SLAM）建立二维的环境地图，SLAM模块由SLAM算法控制器和激光雷达两部分组成；（2）通过超宽频测距测角模块测量机器人到目标的距离和目标相对机器人的偏角，其中超宽频测距测角模块由基站和标签两部分组成，基站安装在机器人本体上随机器人一起运动，标签安装在目标上随目标一起运动；偏角为目标偏离机器人正向的角度，逆时针为正；（3）将步骤（2）所述的距离和角度转换成目标在步骤（1）所述地图中的坐标，该坐标是目标点在二维地图中的坐标并作为导航终点进行导航跟随；（4）用SLAM模块中的路径规划算法，以机器人当前坐标为起点，目标坐标为导航终点进行机器人当前坐标到目标坐标的路径规划，得到可达目标的路径，路径为机器人当前坐标到目标坐标的一系列离散点坐标。其中路径规划算法包括动态路径规划算法、局部路径规划算法和全局路径规划算法；（5）利用SLAM控制调节并驱动机器人沿着步骤（4）所述路径向目标运动。其中，SLAM控制调节包括速度、加速度、角速度、角加速度调节；（6）重复步骤（2）~（5），用人机交互模块通过视觉识别交互、语音交互、无线控制器交互和标签按键交互等方式控制机器人开始和结束跟随，以实现机器人跟随目标运动。
实施例1
持续跟随目标人运动的实施例，具体过程为：
1）准备某长25米宽10米的办公室场景；
2）打开机器人并利用SLAM建立环境地图；
3）打开机载基站和手持标签，并按下跟随按键，使机器人处于跟随目标运动状态；
4) 设定跟随距离为1.5m，该距离为机器人在跟随过程中与目标点保持的距离；
5）当目标不断的运动，测量机器人当前位置到目标的相对距离和相对角度得到的距离数组(1.45m, 1.43m, 1.52m, 1.56m, 1.58m）和角度数组(8°, 15°, -13°, 10°, -4°），对应的机器人位置坐标为（0.1m,0）,（0.6m,0.12m）,（1.2m,0.3m）,（1.8m,-0.5m）,（2.6m,-1.1m）；
6）将距离和角度转换成目标点在地图中的坐标得到目标点连续运动坐标数组（1.52m,0.20m）,（1.98m,0.49m）,（2.68m,0.04m）,（3.34m,-0.23m）,（4.18m,-1.21m）；
7）依次进行机器人当前点到目标点坐标的路径规划，得到离散路径点；
8）驱动机器人沿着路径导航到达目标点；
9）循环上述5-8步骤。
本次实验生成的路径点平滑，跟随误差精度达到正负0.1m之间，本次实验充分体现了本设计的实时性和跟随目标人的能力。结合SLAM和连续目标点能有效实现持续跟随目标人运动。
实施例2
实时避障能力和重新规划路径能力的实施例，具体过程为：
1）测试环境为长50米宽35米的酒店大厅；
2）打开机器人并利用SLAM建立环境地图；
3）在机器人前进方向距离机器人1.5m处设置障碍物；
4）打开机载基站和手持标签，并按下跟随按键，使机器人处于跟随目标运动状态；
5）设定跟随距离为1.0m，该距离为机器人在跟随过程中与目标点保持的距离；
6) 人手持标签向前运动，走到3）中所设置的障碍物前绕开障碍物继续向前运动；
7）当目标不断的运动，连续测量机器人当前位置到目标的相对距离和相对角度得到的距离数组(0.95m, 1.05m, 0.96m, 0.91m, 1.08m）和角度数组(3°, 10°,30°, -12, -4°），对应的机器人位置坐标为（0.05m,0.01m）,（0.58m,0.1m）,（0.95m,0.8m）,（1.47m,0.5m）,（1.59m,0.13m）；
8）将距离和角度转换成目标点在地图中的坐标得到目标点连续运动坐标数组（1.0m,0.06m）,（1.63m,0.28m）,（1.78m,1.28m）,（2.36m,0.3m）,（2.66m,0.05m）；
9）依次进行机器人当前点到目标点坐标的路径规划，得到离散路径点；
10）驱动机器人沿着路径导航到达目标点。
本次实验的跟随误差精度达到正负0.1m之间，通过路径规划，机器人能有效避开障碍物。本次实验充分体现了本设计的实时避障能力和规划路径能力。结合SLAM和连续目标点能有效实现持续跟随目标运动。
综上所述，本发明使用SLAM进行环境建图，使机器人能认知环境，从而在机器人运动过程中更好的进行路径规划和避障。把目标点到机器人的相对距离和相对角度转换成地图中的目标点的坐标，使机器人有效进行到目标点的路径规划。对目标点和机器人之间进行路径规划，使机器人跟有效的跟随目标同时使运动更平滑稳定。
前述已通过框图、流程图和/或实施例子进行了详细描述，阐明了本申请装置和/或方法的不同实施方式。当这些框图、流程图和/或实施例包含一个或多个功能和/或操作时，本领域的技术人员会明白，这些框图、流程图和/或实施例中的各功能和/或操作可以通过各种硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合而单独地和/或共同地实施。然而，本领域的技术人员会认识到，本说明书中描述的实施方式的一些方面能够全部或部分地在集成电路中以在一个或多个计算机上运行的一个或多个计算机程序的形式(例如，以在一个或多个计算机***上运行的一个或多个计算机程序的形式)、以在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序的形式(例如，以在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序的形式)、以固件的形式、或以实质上它们的任意组合的形式等效地实施，并且，根据本说明书中公开的内容，设计用于本申请的电路和/或写用于本申请的软件和/或固件的代码完全是在本领域技术人员的能力范围之内。另外，本领域的技术人员会认识到，无论用来实际进行分发的信号承载介质的类型是什么，本说明书中描述的主题的机制能够以各种形式作为程序产品分发，并且，本说明书中描述的主题的示例性实施方式均适用。例如，信号承载介质包括但不限于下列：可记录型介质，如软盘、硬盘、致密盘(CD)、数字视频光盘数字多功能盘(DVD)、数字磁带、计算机存储器等；传输型介质，如数字和/或模拟通讯介质(例如光缆、波导、有线通讯链路、无线通讯链路等)。
本领域的技术人员会认识到，以本说明书中说明的方式描述装置和/或方法，然后进行工程实践以将所描述的装置和/或方法集成到数据处理***中，在本领域里是很常见的。也就是说，本说明书中描述的装置和/或方法中的至少一部分，可通过合理数量的实验集成到数据处理***中。本领域技术人员会认识到，典型的数据处理***通常包括下列中的一个或多个：***单元壳体、视频显示设备、诸如易失性和非易失性存储器之类的存储器、诸如微处理器和数字信号处理器之类的处理器、诸如操作***、驱动程序器、图形用户界面及应用程序之类的计算实体、一个或多个诸如触摸板或触摸屏之类的交互装置、和/或包括反馈回路和控制马达在内的控制***(如检测位置和/或速度的反馈；用于移动和/或调节部件和/或大小的控制马达)。典型的数据处理***可以采用任何合适的、能够通过商业方法得到的部件(如数据计算/通讯和/或网络计算/通讯***中通常会有的那些部件)来实现。
对于本说明书中所用的基本上任何复数和/或单数术语，本领域的技术人员可以将复数解释为单数和/或将单数解释为复数，只要这样做从上下文和/或应用上看是合适的即可。为了清楚起见，在本说明书中可能将各种单数/复数组合明确地表述出来。
本申请中公开了本申请的多个方面和实施方式，本领域的技术人员会明白本申请的其它方面和实施方式。本申请中公开的多个方面和实施方式只是用于举例说明，并非是对本申请的限定，本申请的真正保护范围和精神应当以下面的权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）启动移动机器人，利用即时定位与地图构建模块（SLAM）建立环境地图；
（2）通过超宽频测距测角模块测量机器人到目标的距离和目标相对机器人的偏角；
（3）将步骤（2）所述的距离和角度转换成目标在步骤（1）所述地图中的坐标；
（4）用SLAM模块中的路径规划算法，进行机器人当前坐标到目标坐标的路径规划，得到可达目标的路径；
（5）利用SLAM控制调节并驱动机器人沿着步骤（4）所述路径向目标运动；
（6）重复步骤（2）~（5），用人机交互模块控制机器人开始和结束跟随，以实现机器人跟随目标运动。
2.如权利要求1所述的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，其特征在于，步骤（1）中所述的SLAM模块由SLAM算法控制器和激光雷达两部分组成；构建的地图为二维平面地图。
3.如权利要求1所述的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，其特征在于，步骤（2）中所述的超宽频测距测角模块由基站和标签两部分组成，基站安装在机器人本体上随机器人一起运动，标签安装在目标上随目标一起运动。
4.如权利要求1所述的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，其特征在于，步骤（2）中所述的距离为目标到机器人之间的距离；偏角为目标偏离机器人正向的角度，逆时针为正。
5.如权利要求1所述的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，其特征在于，步骤（3）中所述的将距离和角度转换成目标在步骤（1）所述地图中的坐标，该坐标是目标点在二维地图中的坐标并作为导航终点进行导航跟随。
6.如权利要求1所述的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，其特征在于，步骤（4）中所述的路径规划算法包括动态路径规划算法、局部路径规划算法和全局路径规划算法。
7.如权利要求1所述的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，其特征在于，步骤（4）中所述的路径规划，以机器人当前坐标为起点，目标坐标为导航终点进行的路径规划，路径为机器人当前坐标到目标坐标的一系列离散点坐标。
8.如权利要求1所述的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，其特征在于，步骤（5）中所述的SLAM控制调节包括速度、加速度、角速度、角加速度调节。
9.如权利要求1所述的一种通过定位导航实现移动机器人目标跟随的方法，其特征在于，步骤（6）中所述的人机交互包括视觉识别交互、语音交互、无线控制器交互和标签按键交互。
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