CN111639505A - 一种用于室内巡检机器人的混合定位导航***及方法 - Google Patents

一种用于室内巡检机器人的混合定位导航***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于室内巡检机器人的混合定位导航***及方法，包括：设置于室内预设位置的二维码，所述二维码包含唯一ID信息；无线交互设备，用于从预先建立的工作环境地图中预设巡检路线；定位导航单元，所述定位导航单元包括二维码定位模块与计算模块；所述二维码定位模块，用于检测所述巡检路线上所述室内预设位置的所述二维码，获取所述二维码的唯一所述ID信息；所述计算模块，基于所述唯一ID信息，从所述计算模块中匹配对应的预设位姿信息，并按照所述预设位姿信息调整所述巡检机器人在所述室内预设位置上的位姿。本发明通过上述技术方案，实现了巡检机器人导航定位易于部署、精确定位和降低巡检成本。

Description

一种用于室内巡检机器人的混合定位导航***及方法
技术领域
本发明涉及智能定位导航技术领域，尤其涉及一种用于室内巡检机器人的定位导航***及方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，供电规模不断扩大，各级配电房的数量逐年递增。但人口数量近年来增长放缓，导致配电房电工人员供给不足，导致值班电工人员常年加班，容易因疲劳问题产生安全隐患，因此亟需引入新的技术来减轻电工人员的工作负担。
近年来，智能巡检机器人的试点应用表明，采用部署在配电房中的自动巡检机器人可以极大地缓解配电房电工人员短缺问题。
目前智能巡检机器人主要有轨道式和地面式两种。
轨道式机器人需要架设固定轨道，机器人依附于轨道实现精确移动。虽然控制方式简单高效，但是轨道制造的资金成本和架设的时间成本较高，难以快速推广。另外，轨道一旦架设完成，后续要进行改道十分麻烦，不利于后续配电室设备升级改造。
地面式巡检机器人通过电机驱动轮子直接在地面上移动，无需架设轨道，而是通过定位导航技术实现目标区域的自主移动巡检，因此部署灵活，适合大规模快速推广，有效地提升巡检效率。
目前地面式巡检机器人的主要定位导航技术有磁带导航、二维码导航和激光导航三种。
磁带导航技术主要利用磁带传感器引导机器人沿地面铺设的磁条行进实现导航。其主要原理为在机器人要前往的所有道路中心线上铺设等宽的磁条，再通过机器人底部安装的磁带传感器检测磁条磁场的横向分布，引导机器人沿磁条中心方向行进。虽然铺设磁条相对架设轨道而言极大地节约了资金和时间成本，但仍然存在部署时间长及变更不易的缺点。
二维码导航技术主要利用摄像机检测识别地面上预先粘贴二维码实现定位。其主要优点为造价便宜，定位精确，但是需要较为精确地测量二维码的位置和位姿，部署工作较为繁琐。另外，针对露天的室外场景以及存在较大粉尘的室内空间，二维码容易被灰尘遮挡，因此无法应用于此类场景。
激光导航技术又分为基于反射板和基于场景轮廓两种方式。相比他两种方式，由于激光测量本身的精确性激光雷达的购置成本也磁带及视觉传感器高出数倍。
基于反射板的激光导航技术主要通过旋转扫描式激光雷达预先设立的一系列激光反射板并利用三角测距算法实现定位。其主要原理为，在机器人的工作空间内按一定间隔安装一系列激光反射板，在机器人行进过程中可以通过扫描式激光雷达测量到一系列反射板与自身的相对角度，利用三角测距原理可以计算出激光雷达中心相对反射板的精确位置信息，利用激光雷达与机器人之间的位置变换为机器人的位置信息，从而实现定位导航。此技术的优点为计算简单、定位精确，但缺点为反射板的分布有一定要求，需要实现规划和部署。
基于场景轮廓的激光导航技术主要通过旋转扫描式激光雷达扫描场景的轮廓信息并利用激光SLAM(同步定位与建图)算法建立精确的轮廓地图从而实现定位与导航。其主要原理为，控制机器人遍历整个场景空间的同时通过激光雷达扫描周围场景的精确轮廓点位置序列，利用数据匹配算法求解相邻轮廓点序列之间的最优位置变换关系，并利用一系列的位置变换关系将所有的轮廓信息融合为一张二维地图，之后，通过将实时的轮廓数据与已建立的地图进行匹配实现当前位置的精确计算。因为无需实现部署反射板，此技术的非常易于部署，而且也可实现较为精确的定位。
比较而言，配电室或变电所属于较为狭小的室内空间，以上三种现有的导航技术均可以帮助巡检机器人实现定位导航。但是，磁带导航灵活性差，难以部署，二维码导航的前期测量步骤繁琐，增加了部署难度，而且，激光导航造价较为高昂导致巡检成本较高。
发明内容
本发明提供了一种用于室内巡检机器人的混合定位导航***及方法，克服了上述现有技术中的技术问题，其通过二维码识别技术与激光雷达技术融合，在巡检前期获取机器人巡检线路，解决了巡检机器人定位导航部署困难、定位不准确且成本高的技术问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种用于室内巡检机器人的混合定位导航***，包括：
设置于室内预设位置的二维码，所述二维码包含唯一ID信息；
巡检机器人，所述巡检机器人包括无线交互设备、定位导航单元；
无线交互设备，用于获取预先建立的工作环境地图及预设巡检路线，所述预先建立的工作环境地图包括若干所述室内预设位置、所述室内预设位置上设置的所述二维码的唯一所述ID信息、与所述ID信息对应的巡检机器人预设位姿信息，所述巡检路线由在所述工作环境地图上选取的所述室内预设位置组成；
定位导航单元，所述定位导航单元包括二维码定位模块与计算模块；
所述二维码定位模块，用于检测所述巡检路线上所述室内预设位置的所述二维码，获取所述二维码的唯一所述ID信息；
所述计算模块，用于预先存储所述预先建立的工作环境地图中的所述ID信息对应的巡检机器人预设位姿信息，基于唯一所述ID信息，从所述计算模块中匹配到对应的预设位姿信息，并按照所述预设位姿信息调整所述巡检机器人在所述室内预设位置上的位姿。
优选地，还包括：部署***，所述部署***包括：
携带激光雷达的部署机器人，用于采集所述室内二维轮廓数据；
所述计算模块，基于所述室内二维轮廓数据构建所述工作环境地图，并根据所述二维码的唯一所述ID信息在所述工作环境地图中标注相应地所述室内预设位置。
优选地，所述巡检机器人设有雷达插槽；
所述雷达插槽用于拆卸所述激光雷达，当所述工作环境地图构建完成后，拆除所述激光雷达，将所述部署机器人转变为所述巡检机器人。
优选地，所述雷达插槽内设有用于与所述激光雷达连接的直流电源接口与通讯接口。
优选地，所述定位导航单元还包括惯导模块、轮组电机反馈编码器与驱动轮；
其中，所述惯导模块，用于采集所述驱动轮的角速度信息；
所述轮组电机反馈编码器，用于采集所述驱动轮周转距离；
相应地，所述惯导模块和所述轮组电机反馈编码器均与所述计算模块通讯连接，用于所述计算模块对所述巡检机器人行进过程中的轨迹推算。
优选地，所述无线交互设备与所述定位导航单元无线通讯连接。
优选地，所述无线通讯连接方式采用通过无线WiFi进行tcp/ip协议的通讯连接。
另一方面，本发明还提供了一种用于室内巡检机器人的混合定位导航方法，应用于上述的用于室内巡检机器人的混合定位导航***，包括：
步骤1：通过若干个二维码固定于室内预设位置上；
步骤2：通过在预先建立的工作环境地图中规划巡检路线，其中，所述巡检路线由所述室内预设位置组成；
步骤3：通过计算模块实时收集巡检机器人行进过程中驱动轮的角速度信息与周转距离以实现航迹推算，引导所述巡检机器人按照所述巡检路线行进；
步骤4：当所述巡检机器人通过所述二维码时，通过二维码定位模块识别所述二维码的ID信息获取对应的预设位姿信息，并根据所述预设位姿信息调整所述巡检机器人的位姿。
优选地，在所述步骤1之后，所述步骤2之前具体还包括：
步骤201：通过安装激光雷达从而将所述巡检机器人转变为部署机器人，通过控制所述部署机器人遍历工作环境内的所有所述二维码，通过二维码定位模块识别所述二维码的唯一的ID信息从而获取所述二维码对应的所述室内预设位置、所述ID信息对应的巡检机器人预设位姿信息；
同时，通过激光雷达采集工作环境的二维轮廓数据；
步骤202：通过所述计算模块基于所述二维轮廓数据建立工作环境地图，并将所述室内预设位置与所述巡检机器人预设位姿信息在所述工作环境地图中标注。
优选地，在所述步骤202之后还包括拆除所述激光雷达，从而将所述部署机器人转变为所述巡检机器人。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种用于室内巡检机器人的混合定位导航***，包括：设置于室内预设位置的二维码，所述二维码包含唯一ID信息；巡检机器人，所述巡检机器人包括无线交互设备、定位导航单元；无线交互设备，用于获取预先建立的工作环境地图及预设巡检路线，所述预先建立的工作环境地图包括若干所述室内预设位置、所述室内预设位置上设置的所述二维码的唯一所述ID信息、与所述ID信息对应的巡检机器人预设位姿信息，所述巡检路线由在所述工作环境地图上选取的所述室内预设位置组成；定位导航单元，所述定位导航单元包括二维码定位模块与计算模块；所述二维码定位模块，用于检测所述巡检路线上所述室内预设位置的所述二维码，获取所述二维码的唯一所述ID信息；所述计算模块，用于预先存储所述预先建立的工作环境地图中的所述ID信息对应的巡检机器人预设位姿信息，基于唯一所述ID信息，从所述计算模块中匹配到对应的预设位姿信息，并按照所述预设位姿信息调整所述巡检机器人在所述室内预设位置上的位姿。
本发明通过从预先建立的工作环境地图中预设巡检路线，其巡检路线由室内预设位置组成，工作环境地图与巡检路线通过前期预先设置，使得在巡检机器人导航过程中，无需激光雷达导航，大大降低了巡检成本；
而室内预设位置和位姿信息均与二维码的唯一ID信息对应，因此，在通过ID信息可识别对应的预设位置与位姿信息，因此，二维码的预设位置和固定位姿允许一定的误差，也可以很精准获取二维码对应的预设位置与巡检机器人的位姿信息，极大地降低了部署难度；同时，通过根据二维码识别二维码中的预设位姿信息，可以对机器人在预设位置上修正位姿，实现精准停位。
本发明提供了一种用于室内巡检机器人的混合定位导航方法的有益效果与上述一致，在此不做赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种用于室内巡检机器人的混合定位导航***的***框架图；
图2为本发明实施例一提供的一种室内巡检机器人的混合定位导航***的中定位导航单元的结构示意图；
图3为本发明实施例一提供的一种室内巡检机器人的混合定位导航***的工作流程图；
图4为本发明实施例二提供的一种室内巡检机器人的混合定位导航方法的工作流程图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
为了方便理解，请参照图1，本发明实施例一提供的一种用于室内巡检机器人的混合定位导航***，包括：
若干个记载唯一的ID信息(编号)的二维码，粘贴在室内观测点、通道中轴线及通道交叉点等室内预设位置上，其中，其ID信息对应二维码所在的室内预设位置以及巡检机器人在相应预设标位置上的预设位姿信息；
可以理解的是，室内预设位置与预设位姿信息是根据工作需要提前预设的；
进一步地，通道中轴线上按一定间隔粘贴(参考距离为0.5～1.5m之间)二维码。每个二维码的图形必须打印清晰，颜色黑白分明。
巡检机器人，巡检机器人包括无线交互设备、定位导航单元；
进一步地，无线交互设备，用于获取预先建立的工作环境地图及预设巡检路线，预先建立的工作环境地图包括若干室内预设位置、室内预设位置上设置的二维码的唯一ID信息、与ID信息对应的巡检机器人预设位姿信息，巡检路线由在工作环境地图上选取的室内预设位置组成，巡检机器人按照巡检路线行进。
进一步地，定位导航单元包括二维码定位模块与计算模块；
其中，参见图2，二维码定位模块朝向地面安装，用于检测巡检路线上室内预设位置的二维码，获取二维码的唯一ID信息，将二维码的唯一ID信息传输至计算模块，随后，计算模块，用于预先存储预先建立的工作环境地图中的ID信息对应的巡检机器人预设位姿信息，基于唯一ID信息，从所述计算模块中匹配对应的预设位姿信息，并按照预设位姿信息调整机器人在室内预设位置上的位姿，以使得机器人实现精准位姿与定位。
进一步地，用于室内巡检机器人的混合定位导航***还包括部署***，部署***包括：
携带激光雷达的部署机器人，用于采集室内二维轮廓数据；
计算模块，基于室内二维轮廓数据，通过基于实时图优化SLAM技术可以实时构建工作环境地图，并根据二维码的唯一ID信息在工作环境地图中标注相应的室内预设位置；
相应地，计算模块分别与二维码定位模块及激光雷达通讯连接。
可以理解的是，采用的二维码仅需包含独立的编号信息，无需包含坐标信息或者控制执行指令，通过二维码定位模块识别二维码，可以使得二维码在室内预设位置固定时，其相对位置与固定位姿可以允许一定的误差，极大地降低了部署难度。
进一步地，机器人设有雷达插槽，雷达插槽用于拆卸激光雷达，当工作环境地图构建完成后，拆除激光雷达，将部署机器人转变为巡检机器人；
可以理解的是，激光雷达属于高价设备，特别是高精度的激光雷达采购成本很高。而在本实施例中，仅在部署机器人中，需要用到激光雷达，而在巡检机器人中，仅需通过二维码与定位导航单元即可实现精准定位。因此，本实施例中使用的激光雷达可以重复用于任意多个配电室的部署阶段，极大地节约了巡检成本。
进一步地，雷达插槽内设有用于与激光雷达连接的直流电源接口与通讯接口，能够为激光雷达提供电源和通讯。
进一步地，无线交互设备，与定位导航单元无线通讯连接，用于控制定位导航单元工作与接收定位导航单元数据，无线通讯连接方式是通过无线WiFi进行tcp/ip协议的通讯连接；
可以理解的是，无线交互设备可以是笔记本电脑、平板电脑或者手机等具有显示、输入以及无线通讯的可移动设备。
进一步地，定位导航单元还包括惯导模块、轮组电机反馈编码器与驱动轮；
其中，惯导模块，用于采集驱动轮的角速度信息；
轮组电机反馈编码器，用于采集驱动轮周转距离；
惯导模块和轮组电机反馈编码器均与计算模块通讯连接，用于计算模块对机器人行进过程中的轨迹推算。
在本实施例中，参考图3，具体工作流程分为部署、规划及巡检三个阶段；
1)部署阶段：根据巡检作业的需求，确定所有用于执行观测任务的观测点之后，将记载唯一ID信息的二维码粘贴到所有观测点、通道中轴线及通道交叉点等室内预设位置上，将高精度的激光雷达***雷达插槽中，部署机器人设置完成，并通过无线交互设备控制定位导航单元遥控机器人遍历所有二维码，此时计算单元会利用激光雷达采集到的二维轮廓数据信息建立整个场地的二维平面的工作环境地图，同时，利用二维码定位模块识别并定位所有经过的地面二维码，并将室内预设位置、二维码ID信息、与ID信息对应的巡检机器人的预设位姿信息在工作环境地图中标记，预先完成建立工作环境地图。
完成工作环境地图后，移除激光雷达，将部署机器人转换为巡检机器人。结束本阶段，移除后的激光雷达可应用到其他场所，实现重复利用。
需要说明的是，在地图构建过程中，二维码定位模块检测并识别到二维码时，就会自动解析出其ID信息，并计算出相应二维码位置信息与巡检机器人的预设位姿信息，并上报给计算模块，计算模块将根据相对位置关系换算为地图坐标系中的位置后并与编号一起存储下来。
2)规划阶段：通过无线交互设备在工作环境地图上标规划出巡检机器人具体的巡检路线，其中，所规划的巡检路线由在工作环境地图上选取的室内预设位置组成。
3)巡检阶段：巡检机器人开始沿按照巡检路线依次前往各个观测点执行巡检任务。在前往监测点的过程中，计算模块实时收集惯导模块和轮组电机编码器所分别采集的驱动轮角速度信息与周转距离实现航迹推算，引导巡检机器人沿规划的巡检路线前进。与此同时，当巡检机器人经过并定位二维码时，二维码定位模块识别二维码对应的巡检机器人预设位姿信息，能够更加精确地根据预设位姿信息对巡检机器人修正位姿，实现高精度的停位后，巡检机器人通过观测设备完成观测。
实施例二
参考图4，实施例二在实施例一的基础上，提供了一种用于室内巡检机器人的混合定位导航方法，包括：
步骤1：通过若干个二维码固定于室内预设位置上；
步骤2：通过在预先建立的工作环境地图中规划巡检路线，其中，巡检路线由室内预设位置组成；
步骤3：通过计算模块实时收集巡检机器人行进过程中驱动轮的角速度信息与周转距离以实现航迹推算，引导巡检机器人按照巡检路线行进；
步骤4：当巡检机器人通过二维码时，通过二维码定位模块识别二维码的ID信息获取对应的预设位姿信息，并根据预设位姿信息调整巡检机器人的位姿。
进一步地，步骤1之后，步骤2之前具体还包括：
步骤201：通过安装激光雷达将巡检机器人转变为部署机器人，通过控制部署机器人遍历工作环境内的所有二维码，通过二维码定位模块识别二维码的唯一的ID信息从而获取二维码的室内预设位置、ID信息对应的巡检机器人预设位姿信息；
同时，通过激光雷达采集工作环境的二维轮廓数据；
步骤202：通过计算模块基于二维轮廓数据建立工作环境地图，并将室内预设位置与巡检机器人预设位姿信息在工作环境地图中标注。
进一步地，在步骤202之后还包括拆除激光雷达，将部署机器人转变为巡检机器人。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于室内巡检机器人的混合定位导航***，其特征在于，包括：
设置于室内预设位置的二维码，所述二维码包含唯一ID信息；
巡检机器人，所述巡检机器人包括无线交互设备、定位导航单元；
无线交互设备，用于获取预先建立的工作环境地图及预设巡检路线，所述预先建立的工作环境地图包括若干所述室内预设位置、所述室内预设位置上设置的所述二维码的唯一所述ID信息、与所述ID信息对应的巡检机器人预设位姿信息，所述预设巡检路线由在所述工作环境地图上选取的所述室内预设位置组成；
定位导航单元，所述定位导航单元包括二维码定位模块与计算模块；
所述二维码定位模块，用于检测所述预设巡检路线上所述室内预设位置的所述二维码，获取所述二维码的唯一所述ID信息；
所述计算模块，用于预先存储所述预先建立的工作环境地图中的所述ID信息对应的巡检机器人预设位姿信息，基于唯一所述ID信息，从所述计算模块中匹配到对应的预设位姿信息，并按照所述预设位姿信息调整所述巡检机器人在所述室内预设位置上的位姿。
2.根据权利要求1所述的用于室内巡检机器人的混合定位导航***，其特征在于，还包括：部署***，所述部署***包括：
携带激光雷达的部署机器人，用于采集室内二维轮廓数据；
所述计算模块，基于所述室内二维轮廓数据构建所述工作环境地图，并根据所述二维码的唯一所述ID信息在所述工作环境地图中标注相应地所述室内预设位置。
3.根据权利要求2所述的用于室内巡检机器人的混合定位导航***，其特征在于，所述巡检机器人设有雷达插槽；
所述雷达插槽用于拆卸所述激光雷达，当所述工作环境地图构建完成后，拆除所述激光雷达，将所述部署机器人转变为所述巡检机器人。
4.根据权利要求3所述的用于室内巡检机器人的混合定位导航***，其特征在于，所述雷达插槽内设有用于与所述激光雷达连接的直流电源接口与通讯接口。
5.根据权利要求1所述的用于室内巡检机器人的混合定位导航***，其特征在于，所述定位导航单元还包括惯导模块、轮组电机反馈编码器与驱动轮；
其中，所述惯导模块，用于采集所述驱动轮的角速度信息；
所述轮组电机反馈编码器，用于采集所述驱动轮周转距离；
相应地，所述惯导模块和所述轮组电机反馈编码器均与所述计算模块通讯连接，用于所述计算模块对所述巡检机器人行进过程中的轨迹推算。
6.根据权利要求1或2所述的用于室内巡检机器人的混合定位导航***，其特征在于，所述无线交互设备与所述定位导航单元无线通讯连接。
7.根据权利要求6所述的用于室内巡检机器人的混合定位导航***，其特征在于，所述无线通讯连接方式采用通过无线WiFi进行tcp/ip协议的通讯连接。
8.一种用于室内巡检机器人的混合定位导航方法，应用于权利要求1-7任一项中所述的用于室内巡检机器人的混合定位导航***，其特征在于，包括：
步骤1：通过若干个二维码固定于室内预设位置上；
步骤2：通过在预先建立的工作环境地图中规划巡检路线，其中，所述巡检路线由所述室内预设位置组成；
步骤3：通过计算模块实时收集巡检机器人行进过程中驱动轮的角速度信息与周转距离以实现航迹推算，引导所述巡检机器人按照所述巡检路线行进；
步骤4：当所述巡检机器人通过所述二维码时，通过二维码定位模块识别所述二维码的ID信息获取对应的预设位姿信息，并根据所述预设位姿信息调整所述巡检机器人的位姿。
9.根据权利要求8所述的用于室内巡检机器人的混合定位导航方法，其特征在于，在所述步骤1之后，所述步骤2之前具体还包括：
步骤201：通过安装激光雷达从而将所述巡检机器人转变为部署机器人，通过控制所述部署机器人遍历工作环境内的所有所述二维码，通过二维码定位模块识别所述二维码的唯一的ID信息从而获取所述二维码对应的所述室内预设位置、所述ID信息对应的巡检机器人预设位姿信息；
同时，通过激光雷达采集工作环境的二维轮廓数据；
步骤202：通过所述计算模块基于所述二维轮廓数据建立工作环境地图，并将所述室内预设位置与所述巡检机器人预设位姿信息在所述工作环境地图中标注。
10.根据权利要求9所述的用于室内巡检机器人的混合定位导航方法，其特征在于，在所述步骤202之后还包括拆除所述激光雷达，从而将所述部署机器人转变为所述巡检机器人。
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