一種機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及定位導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 移動機(jī)器人導(dǎo)航是實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)依靠傳感器技術(shù)和人工智能技 術(shù)，從出發(fā)點(diǎn)運(yùn)動到目的點(diǎn)的系統(tǒng)和方法。機(jī)器人是一種可以幫助人類完成服務(wù)性工作的 半自主或全自主工作的機(jī)器人。根據(jù)數(shù)據(jù)資料顯示，全球范圍內(nèi)的機(jī)器人有著廣泛的市場。 近年來，機(jī)器人市場發(fā)展保持了較快的增長速度。隨著勞動力價(jià)格日趨上漲，從事保安、看 護(hù)、清潔工作的簡單勞動力越來越少，但全球人口老齡化的加劇，看護(hù)等工作的人員需求卻 越來越多。為了彌補(bǔ)這種供需的巨大差異，機(jī)器人市場由此產(chǎn)生。
[0003] 路徑規(guī)劃技術(shù)是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個重要分支，是依據(jù)某個或某些優(yōu)化準(zhǔn)則（ 如工作代價(jià)最小、行走路線最短、行走時間最短等），在其工作空間中找到一條從起始地點(diǎn) 到目標(biāo)地點(diǎn)的能避開障礙物的最優(yōu)路徑。
[0004] 室內(nèi)是人類活動最密集，與人類生活生產(chǎn)最相關(guān)的場合。室內(nèi)定位可視為定位技 術(shù)與人聯(lián)系最緊密的一個組成部分，其存在的重要潛在應(yīng)用，近年來吸引了大量的研究和 關(guān)注。室內(nèi)由于有大量墻體、屏風(fēng)等障礙存在，多徑效應(yīng)嚴(yán)重，場強(qiáng)分布不均甚至有盲區(qū)存 在。人員的頻繁移動、電子設(shè)備和門窗的開關(guān)等也給信號傳輸帶來大量隨機(jī)，不可測的干擾 和波動。因此針對復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境的定位技術(shù)一直是研究的難點(diǎn)，也是學(xué)術(shù)界一直關(guān)注的熱 點(diǎn)問題。
[0005] 室內(nèi)定位技術(shù)大多采用短距無線定位技術(shù)，包含WLAN、RFID、藍(lán)牙、UWB等。但總體 而言它們都存在精度差的問題而不能用于機(jī)器人定位。當(dāng)前采用這些技術(shù)的定位系統(tǒng)，最 高標(biāo)稱能達(dá)到l〇cm，該精度基本上也是使用無線定位技術(shù)所能達(dá)到的極限精度?，F(xiàn)有的超 聲波定位技術(shù)主要存在以下缺陷：（1)超聲波傳輸過程衰減明顯；（2)超聲波受多徑效應(yīng)和 非視距傳播影響。這些缺點(diǎn)導(dǎo)致現(xiàn)在的這些技術(shù)基本只能用于無人且環(huán)境較空的場所。
[0006] 另外，現(xiàn)有的機(jī)器人定位導(dǎo)航也存在以下不足：（1)機(jī)器人偏離運(yùn)動軌跡后就會 迷路，不能正常工作；（2)當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)動過程中遇到障礙物時，不能自動規(guī)劃繞道行駛。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007] 本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足而提供一種定位精度高，可靠性 好，靈活性高的機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0008] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：
[0009] -種機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)，包括多個固定位置的信標(biāo)模塊、至少一個機(jī)器人定位 終端和電子導(dǎo)航平臺；
[0010] 所述信標(biāo)模塊包括：
[0011] 第一無線收發(fā)模塊，用于以無線的方式與機(jī)器人定位終端和/或電子導(dǎo)航平臺聯(lián) 絡(luò)，收發(fā)指令和同步信號；
[0012] 超聲波發(fā)射模塊，用于發(fā)出已編址的超聲波信號；
[0013] 第一智能處理模塊，用于處理接收的指令和儲存超聲波編碼，處理同步時序安 排；
[0014] 所述機(jī)器人定位終端包括：
[0015] 第二無線收發(fā)模塊，用于負(fù)責(zé)與信標(biāo)模塊和電子導(dǎo)航平臺聯(lián)絡(luò)，收發(fā)無線同步信 號，以及接收對待接收的超聲波信號做出的時序安排；
[0016] 超聲波接收陣列，用于接收來自不同角度的超聲波信號；
[0017] 第二智能處理模塊，包括陣列處理模塊和中央處理器；
[0018] 所述陣列處理模塊用于將接收的超聲波信號放大，根據(jù)其信號的強(qiáng)弱自動進(jìn)行增 益控制，使輸出的超聲波模擬信號強(qiáng)度保持相對穩(wěn)定，并將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號；
[0019] 所述中央處理器用于處理接收到的指令、模塊各部分的邏輯關(guān)系、做出同步時序 安排、識別編碼、儲存和分析接收到的超聲波數(shù)據(jù)信息，并將超聲波數(shù)據(jù)會同電子導(dǎo)航平臺 發(fā)送來的電子地圖一起放入計(jì)算單元中進(jìn)行計(jì)算處理，得到位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)；
[0020] 所述電子導(dǎo)航平臺用于存儲全部機(jī)器人的編碼，構(gòu)建電子地圖，規(guī)劃并計(jì)算機(jī)器 人的運(yùn)動目標(biāo)或路徑以及信標(biāo)模塊的位置，使得機(jī)器人在允許的運(yùn)動范圍內(nèi)都能夠獲得信 標(biāo)模塊的交叉覆蓋；并將電子地圖以無線方式傳給機(jī)器人定位終端進(jìn)行機(jī)器人的調(diào)度；還 用于協(xié)調(diào)信標(biāo)模塊和機(jī)器人定位終端的同步，接收從各個機(jī)器人定位終端上傳的位置坐標(biāo) 數(shù)據(jù)并顯示。
[0021] 進(jìn)一步，所述超聲波接收陣列的上部搭載有障礙物掃描儀；所述障礙物掃描儀包 括同步旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；
[0022] 所述同步旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括設(shè)于超聲波接收陣列上的支架，支架上安裝伺服電機(jī)，伺 服電機(jī)通過旋轉(zhuǎn)搭載頭連接復(fù)合傳感器座，復(fù)合傳感器座上安裝有人體感應(yīng)傳感器和超聲 波收發(fā)傳感器，伺服電機(jī)的下端連接編碼器；
[0023] 所述控制系統(tǒng)包括電機(jī)驅(qū)動模塊和障礙物掃描主控模塊，所述障礙物掃描主控模 塊的輸出端連接電機(jī)驅(qū)動模塊，障礙物掃描主控模塊的輸入端分別連接編碼器、人體感應(yīng) 傳感器和超聲波收發(fā)傳感器，電機(jī)驅(qū)動模塊的輸出端連接伺服電機(jī)；所述障礙物掃描主控 模塊通過CAN總線分別連接電子導(dǎo)航平臺和機(jī)器人定位終端。
[0024] 進(jìn)一步，所述超聲波收發(fā)傳感器通過超聲波信號放大器與所述障礙物掃描主控模 塊連接，所述超聲波信號放大器用于超聲波收發(fā)傳感器接收和發(fā)送的超聲波信號進(jìn)行放 大。
[0025] 進(jìn)一步，所述超聲波收發(fā)傳感器的前端安裝有用于收窄超聲波接收角度的吸音 管。
[0026] 進(jìn)一步，所述陣列處理模塊包括前置放大模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊；
[0027] 所述前置放大模塊用于將接收的超聲波信號放大，根據(jù)其信號的強(qiáng)弱自動進(jìn)行增 益控制，使輸出的超聲波模擬信號強(qiáng)度保持相對穩(wěn)定；
[0028] 所述A/D轉(zhuǎn)換模塊用于將檢測時間段內(nèi)的超聲波模擬信號連續(xù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 并存儲；通過中央處理器掃描采集到的超聲波信號幅度，處理該組超聲波數(shù)據(jù)；根據(jù)接收 到的超
[0029] 聲波脈沖群的平均幅值，來計(jì)算用于判斷的閾值；達(dá)到判斷閾值的點(diǎn)則認(rèn)為當(dāng)前 測試的超聲波信號到達(dá)起始點(diǎn)，否則認(rèn)為是噪聲信號。
[0030] 進(jìn)一步，所述電子導(dǎo)航平臺包括：
[0031] 搭載導(dǎo)航軟件的計(jì)算機(jī)，用于存儲全部機(jī)器人的編碼，構(gòu)建電子地圖，根據(jù)需要調(diào) 度機(jī)器人，控制多臺機(jī)器人同時完成各自的工作；
[0032] 第三無線收發(fā)模塊，用于傳送電子地圖給機(jī)器人定位終端，并發(fā)送定位同步信號， 協(xié)調(diào)信標(biāo)模塊和機(jī)器人定位終端的時序，接收各個機(jī)器人定位終端上傳的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)以 及障礙物掃描儀上傳的通知信息；
[0033] 顯示器，用于顯示電子地圖上的導(dǎo)航信息；
[0034] 電子地圖運(yùn)算模塊，用于規(guī)劃并計(jì)算機(jī)器人的運(yùn)動目標(biāo)或路徑以及信標(biāo)模塊的位 置，生成導(dǎo)航信息。
[0035] 進(jìn)一步，所述電子地圖包括與機(jī)器人運(yùn)動區(qū)域和信標(biāo)模塊覆蓋區(qū)域分別相對應(yīng)的 電子平面地圖和三維電子地圖。
[0036] 進(jìn)一步，所述超聲波收發(fā)陣列為具有至少四個超聲波感應(yīng)元的集成陣列，或由至 少四個獨(dú)立的超聲波傳感器分散而成的陣列；所述前置放大模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊的通道數(shù) 量與超聲波感應(yīng)元的數(shù)量相對應(yīng)。
[0037] 本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點(diǎn)：
[0038] (1)將接收到的超聲波信號根據(jù)其信號的強(qiáng)弱進(jìn)行自動增益控制，輸出穩(wěn)定的動 態(tài)范圍，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，計(jì)算出判斷閾值，根據(jù)判斷閾值判斷當(dāng)前信號為超聲波信號還 是噪聲信號，從而實(shí)現(xiàn)超聲波檢測，解決了超聲波信號在傳輸過程中的衰減問題；
[0039] (2)利用超聲波陣列中超聲波感應(yīng)元之間的相位差和信號強(qiáng)度，分辨不同途徑的 超聲波，只取直線到達(dá)的超聲波，這樣可解決多徑效應(yīng)和非視距傳播問題，濾除環(huán)境聲波的 干擾，縮短測試時間，大大提高測距精度和可靠性；
[0040] (3)使用編碼超聲波方式可便于確定接收的超聲波是否是需要的信標(biāo)模塊發(fā)送 的，同時通過與發(fā)射源的理論編碼比對，判斷該組超聲波是不是需要的信標(biāo)模塊發(fā)送的那 束超聲波，可精確確定超聲波的起始點(diǎn)和發(fā)射角度，提高測距的準(zhǔn)確度；
[0041] (4)利用超聲波接收陣列接收超聲波信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，根據(jù)超聲波接收陣列與信 標(biāo)模塊之間的超聲波信號的相位關(guān)系來判斷機(jī)器人的位置和方向，并會同電子地圖發(fā)送至 電子定位平臺，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的路徑規(guī)劃和定位；
[0042] (5)利用采集的2個以上信標(biāo)模塊的超聲波信號，來計(jì)算信標(biāo)模塊之間的絕對距 離與相對距離之間誤差百分率作為補(bǔ)償，進(jìn)而計(jì)算出在當(dāng)前環(huán)境條件下精確的聲速，精確 率高，成本低，計(jì)算簡單；
[0043] (6)通過掃描