CN207319062U - 一种机器人自主导航及运动控制*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种机器人自主导航及运动控制***，包括第一处理装置、第二处理装置和电源管理装置：第一处理装置对机器人平台的参数信息进行配置后，获取并处理高数据量传感器测量数据信息、地图管理信息请求及导航任务请求，生成机器人运动控制命令及导航任务进程反馈信息；第二处理装置获取并处理机器人平台的低数据量传感器信息和机器人运动控制命令，换算成电机运动控制指令驱动机器人运动；电源管理装置为第一处理装置和第二处理装置提供电源。具有使用简单便捷，集成度高，通用性强的优点，能有效地降低自主导航及运动控制***对机器人平台和传感器类型的依赖度。
Description
技术领域
本实用新型涉及机器人技术领域，特别涉及一种机器人自主导航及运动控制***。
背景技术
机器人自主导航技术是机器人领域的一个研究热点，是机器人实现自主移动的关键。机器人自主导航技术主要是通过传感器感知环境信息和自身状态，在确定自身位置的同时构建场景地图，并利用位置及地图信息实现在未知环境中的自主移动。
目前市面上带自主导航功能的机器人大部分是基于特定的传感器及特定的算法进行开发的，并不具有通用性，机器人开发公司往往需要投入大量的人力及物力进行研发。而目前市面上可直接应用于不同类型的机器人平台上的自主导航设备通常只适配于特定的传感器，采用边构建地图边导航的方法进行自主导航，这种方法虽然可以降低带自主导航功能的移动机器人的研发成本，但是需要与特定的传感器配合使用；另外，边建图边导航的方法使导航***的运算负载压力加大，而且地图无法保存，导致每次重新启动***后都需要重新构建地图并导航，过程繁琐且效率低下。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种机器人自主导航及运动控制***，可直接应用于不同类型的机器人平台上，适配不同类型的传感器，并采用先构建地图后导航的方法，以降低自主导航及运动控制***对不同类型的机器人平台及传感器的依赖度，而且地图构建后可直接保存并随时调用，还可以根据实际使用需要进行增量式更新，从而减少地图构建对导航***运算性能的负载压力。
本实用新型的目的通过下述技术方案实现：
一种机器人自主导航及运动控制***，包括第一处理装置、第二处理装置和电源管理装置；其中，
所述第一处理装置对所述机器人平台的参数信息进行配置后，获取并处理高数据量传感器测量数据信息、地图管理信息请求及导航任务请求，与内部导航相关信息融合，构建场景地图并进行路径规划，生成机器人运动控制命令及导航任务进程反馈信息；
所述第二处理装置获取并处理所述机器人平台的低数据量传感器信息，转换成内部导航相关信息，同时获取并处理机器人运动控制命令，换算成电机运动控制指令，并发送至所述机器人平台的电机及其驱动装置以驱动电机运动；
所述电源管理装置为所述第一处理装置和所述第二处理装置提供电源。
在上述技术方案中，本实用新型提供的一种机器人自主导航及运动控制***，通过第一处理装置和第二处理装置分别获取并处理机器人平台的参数信息，传感器数据信息及导航任务请求，生成机器人运动控制命令及电机运动控制指令，驱动机器人平台运动，并将实时运动状态反馈到机器人平台的主控***中，实现导航任务进程反馈，极大地减少了由自主导航功能给机器人控制***运行性能带来的负载压力，并可以直接应用于不同类型的机器人平台上，适配不同类型的传感器，降低自主导航及运动控制***对机器人平台和传感器类型的依赖度，降低带自主导航功能的机器人的开发难度及缩短开发周期，使带自主导航功能的机器人获得更好的市场发展前景。
附图说明
图1是自主导航及运动控制***与机器人平台的配合结构示意图。
图2是自主导航及运动控制***电源管理装置工作示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
如图1所示，本实用新型提供的同步定位与建图、路径规划及运动控制***1包括第一处理装置11、第二处理装置12和电源管理装置13；其中，
所述第一处理装置11对所述机器人平台2的参数信息进行配置后，获取并处理高数据量传感器221测量数据信息、地图管理信息请求及导航任务请求，与内部导航相关信息融合，构建场景地图并进行路径规划，生成机器人运动控制命令及导航任务进程反馈信息；
所述第二处理装置12获取并处理所述机器人平台2的低数据量传感器222信息，转换成内部导航相关信息，同时获取并处理机器人运动控制命令，换算成电机运动控制指令，并发送至所述机器人平台2的电机及其驱动装置23以驱动电机运动；
所述电源管理装置13为所述第一处理装置11和所述第二处理装置 12提供电源。
本实施例中，所述的机器人平台2是指具有主控***21，配置若干传感器装置22，以电机作为底盘驱动元件的机器人。具体的，所述的机器人平台主控***21是指具有逻辑分析功能，能够实现任务制定及调度的机器人上层控制***。
进一步的，所述机器人平台2配置的若干传感器装置22包括高数据量传感器221和低数据量传感器222。所述的高数据量传感器221至少包括激光雷达、深度相机或双目相机中的任意一种。所述的低数据量传感器222可以是编码器，碰撞开关，IMU惯性测量单元，超声波传感器，红外传感器中的一种或多种。
优选的，所述机器人自主导航及运动控制***1可以适配市面上大部分的传感器，所述机器人平台2配置的传感器可以根据具体使用场景进行选择配备。
更进一步的，所述机器人平台2的底盘结构可以是轮组式底盘结构，也可以是履带式底盘结构，包括但不限于四轮驱动的机器人底盘，两轮差速驱动的机器人底盘，采用全向轮或者麦克纳姆轮的全方位移动机器人底盘，履带式机器人底盘，AGV(Automated GuidedVehicle)自动引导小车底盘。
本实施例中，优选的，所述机器人自主导航及运动控制***1搭载安装在所述机器人平台2的底盘上。
本实施例中，所述第一处理装置11与所述机器人平台2的主控*** 21进行外部数据通信，在第一处理装置11中配置机器人平台2的参数信息，并对参数信息进行处理后生成相应的配置文件，保存该配置文件后***将自动进行配置，完成***初始化。所述机器人平台的参数信息包括但不限于机器人底盘的机械尺寸参数，电机的减速比，电机最大转速，编码器的脉冲数，安装的传感器种类及安装位置。
本实施例中，所述第一处理装置11与所述机器人平台2的主控*** 21进行外部数据通信，还包括获取地图管理信息请求。所述的地图管理信息请求包括但不限于地图构建请求，地图列表信息请求，地图数据导入请求。
进一步的，主控***21发布地图构建请求，所述第一处理装置11 接收到地图构建请求后，从机器人平台2配置的高数据量传感器221中获取实时测量数据信息，处理后得到周围环境的灰度地图，并对地图数据进行保存，完成地图构建过程。在地图构建过程中，主控***21可以通过遥控的方式控制机器人运动，也可以通过发布自动探索命令让机器人在未知环境中自由行走。所述第一处理装置11通过收集并处理高数据量传感器221的实时测量数据信息，即可得到完整的周围环境地图数据。优选的，所述第一处理装置11在获取所述机器人平台2的高数据量传感器221的实时测量数据信息后，将采用SLAM(SimultaneousLocalization and Mapping)算法进行数据处理，实现当前环境的地图构建，并在地图上同步获取机器人的位置坐标。
更进一步的，主控***21发布地图列表信息请求，所述第一处理装置11接收到地图列表信息请求后，将内部保存的地图列表信息传输到主控***21中，再由主控***21进行地图选择。优选的，所述第一处理装置11中可以保存多组地图数据信息，以地图列表的方式进行管理。所述地图数据信息包含但不限于地图名称或地图代号，地图尺寸，地图分辨率，地图压缩比例，地图创建时间。
还进一步的，所述主控***21根据地图列表信息对地图进行选择，并发布地图数据导入请求；所述第一处理装置11接收到地图数据导入请求后，将从内部读取地图数据，完成地图数据导入，并将地图数据信息传输到主控***21中。优选的，主控***21发布的地图数据导入请求包含有从地图列表中选择的地图名称或地图代号，第一处理装置11将根据地图名称或地图代号调用相应的地图数据。
本实施例中，所述第一处理装置11与所述机器人平台的主控***21 进行外部数据通信，还包括获取导航任务请求。主控***21发布的导航任务请求可以是一个或多个目的地的位置及姿态，也可以是机器人的运动路线。第一处理装置11接收到主控***21的导航任务请求后，结合地图数据对导航任务请求进行初步解析，完成运动路径的初步规划。
本实施例中，所述第一处理装置11与所述机器人平台的主控***21 进行外部数据通信，还包括任务进程反馈信息。在机器人依照导航任务请求运动过程中，所述第一处理装置11将实时采集运动状态的相关信息，处理后生成导航进程反馈信息，传输至机器人平台的主控***21上，实现运动状态监控及导航任务进程反馈。所述导航任务进程反馈信息包括但不限于地图数据信息，传感器数据信息，路径规划信息，机器人的实时位置及姿态，实时运动速度及方向，导航任务进程。
优选的，所述第一处理装置11通过网络连接的方式与所述机器人平台的主控***21进行数据传输。具体的，网络连接的方式可以是以太网连接，也可以是无线网络连接。
本领域技术人员应当了解的是，除了网络连接的方式，所述第一处理装置11还可以以其他连接方式与所述机器人平台的主控***21进行数据传输，例如光纤、USB和WUSB(Wireless USB)，仅需保证数据的传输符合预先定义的通信协议即可。
本实施例中，所述第一处理装置11和所述第二处理装置12中分别定义了统一的通信协议，可以分别与高数据量传感器221和低数据量传感器222进行数据传输，也可以在所述第一处理装置11和所述第二处理装置12之间进行内部数据传输。
本实施例中，所述第二处理装置12通过预先定义的通信协议获取所述机器人平台2的低数据量传感器222的数据信息，处理后转换成内部导航相关信息。所述内部导航相关信息包括但不限于机器人平台各电机的运动状态，碰撞开关状态，周围环境障碍物信息。
进一步的，所述第二处理装置12与所述第一处理装置11进行内部数据通信，将所述内部导航相关信息传输到所述第一处理装置11中。
本实施例中，所述第一处理装置11通过预先定义的通信协议获取所述机器人平台2的高数据量传感器221的实时测量数据信息，与地图数据信息相融合后得到机器人当前定位信息。所述定位信息包括机器人当前所在位置映射在地图上的坐标值及方向角。
进一步的，所述第一处理装置11获取到机器人当前定位信息后，与所述地图数据信息，所述内部导航相关信息进行融合，结合所述导航任务请求进行导航规划决策，完成运动路径规划，生成机器人运动控制命令，并将机器人运动控制命令传输到第二处理装置12。机器人运动控制命令包含机器人在运动路径上各点处的位置及姿态，机器人的运动速度及方向。
更进一步的，在机器人运动过程中，所述第一处理装置11和所述第二处理装置12实时获取并更新所述机器人平台2的高数据量传感器221 和低数据量传感器222的相关信息，实现同步定位与周围环境信息的实时获取，并依据所获取的信息实时更新运动路径的规划决策，从而实现实时运动控制。
优选的，机器人在运动过程所获取的周围环境信息还包含动态障碍物信息，在运动路径的规划决策过程中将优先对动态障碍物进行避让决策。
本实施例中，所述第二处理装置12接收到机器人运动控制命令后，对机器人运动控制命令进行运算解析，生成轮组电机运动控制指令，并将电机运动控制指令发送至所述机器人平台2的电机及其驱动装置23，使电机带动轮组按规划的速度运动，从而实现机器人平台2依照导航任务请求运动。
优选的，在机器人运动过程中，所述第二处理装置12将实时获取所述机器人平台2的电机运动状态信息，并将电机运动状态信息与电机运动控制指令进行融合处理，实时调整电机运动控制指令，通过反馈的方式使机器人的运动控制更精确。
本实施例中，如图2所示，所述电源管理装置13中包括降压及稳压模块，对外部输入电压进行处理，转换成所述第一处理装置11和所述第二处理装置12的工作电压并稳定输出，为所述第一处理装置11和所述第二处理装置12提供电源。所述第一处理装置11和所述第二处理装置 12的工作电压可以是相同的，也可以是不同的。
相比于现有技术，本实用新型提供的高度集成化的机器人自主导航及运动控制***1，可直接安装于机器人平台2上，通过第一处理装置 11和第二处理装置12分别与机器人平台的主控***21、传感器装置22、电机及其驱动装置23相连，并通过预先定义的通信协议进行数据传输，对各部分采集的数据进行处理后可实现地图构建、路径规划及运动控制的功能，适配于不同类型的机器人平台及不同类型的传感器，极大地降低了自主导航功能对机器人平台及传感器类型的依赖度，能有效地降低带自主导航功能的机器人的开发难度及缩短开发周期。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，本领域技术人员在不脱离本实用新型的基本构思的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
Claims (7)
1.一种机器人自主导航及运动控制***，包括第一处理装置、第二处理装置和电源管理装置；其中，
所述第一处理装置对所述机器人平台的参数信息进行配置后，获取并处理高数据量传感器测量数据信息、地图管理信息请求及导航任务请求，与内部导航相关信息融合，构建场景地图并进行路径规划，生成机器人运动控制命令及导航任务进程反馈信息；
所述第二处理装置获取并处理所述机器人平台的低数据量传感器信息，转换成内部导航相关信息，同时获取并处理机器人运动控制命令，换算成电机运动控制指令，并发送至所述机器人平台的电机及其驱动装置以驱动电机运动；
所述电源管理装置为所述第一处理装置和所述第二处理装置提供电源。
2.根据权利要求1所述的机器人自主导航及运动控制***，其特征在于，所述机器人自主导航及运动控制***搭载安装在所述机器人平台上。
3.根据权利要求1所述的机器人自主导航及运动控制***，其特征在于，所述第一处理装置可以与所述机器人平台的主控***进行外部数据通信，获取机器人平台的参数信息，地图管理信息请求，导航信息请求以及反馈导航任务进程信息。
4.根据权利要求1所述的机器人自主导航及运动控制***，其特征在于，所述第一处理装置可以获取并处理所述机器人平台的高数据量传感器的实时测量数据信息，所述第二处理装置可以获取并处理所述机器人平台的低数据量传感器的实时数据信息；
所述的高数据量传感器至少包括激光雷达、深度相机或者双目相机中的任意一种；
所述的低数据量传感器可以是编码器，碰撞开关，IMU惯性测量单元，超声波传感器，红外传感器中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的机器人自主导航及运动控制***，其特征在于，所述第一处理装置和所述第二处理装置之间可以进行内部数据通信，传输内部导航相关信息和机器人运动控制命令。
6.根据权利要求1所述的机器人自主导航及运动控制***，其特征在于，所述第二处理装置可以与所述机器人平台的电机及其驱动装置进行外部数据通信，传输电机运动控制指令。
7.根据权利要求1所述的机器人自主导航及运动控制***，其特征在于，所述电源管理装置包括降压及稳压模块，可以将外部输入电压转换成所述第一处理单元和所述第二处理单元的工作电压并稳定输出。
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