本發(fā)明涉及機(jī)器人控制領(lǐng)域，具體涉及一種移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。它集中了傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械工程、電子工程、自動(dòng)化控制工程以及人工智能等多學(xué)科的研究成果，是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。在自主式移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究中，導(dǎo)航技術(shù)是其研究核心，同時(shí)也是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化及完全自主的關(guān)鍵技術(shù)。導(dǎo)航是指移動(dòng)機(jī)器人通過傳感器感知環(huán)境信息和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)航主要解決以下三方面的問題：(1)通過移動(dòng)機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)獲取環(huán)境信息；(2)用一定的算法對(duì)所獲信息進(jìn)行處理并構(gòu)建環(huán)境地圖；(3)根據(jù)地圖實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)控制。

移動(dòng)機(jī)器人定位是指確定機(jī)器人在工作環(huán)境中相對(duì)于全局坐標(biāo)的位置，是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的基本環(huán)節(jié)。當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人定位大多基于視覺傳感器、激光雷達(dá)、超聲波、uwb(ultrawideband，超寬帶)、紅外等傳感器，且大多采用多傳感器融合技術(shù)，先建立地圖，然后基于地圖進(jìn)行行走與繞障的路徑規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航與繞障功能。

現(xiàn)有機(jī)器人室內(nèi)導(dǎo)航與定位通常依賴一些標(biāo)記，如rfid(radiofrequencyidentification，射頻識(shí)別)或者特定圖標(biāo)，這些對(duì)環(huán)境要求比較強(qiáng)，而且需要對(duì)現(xiàn)有環(huán)境進(jìn)行改造，不太適合普通家庭場景；另外還有依賴視覺的機(jī)器人，這些機(jī)器人對(duì)硬件要求很高，需要實(shí)時(shí)運(yùn)行復(fù)雜的視覺算法，嵌入式平臺(tái)很難支撐，同時(shí)因?yàn)榄h(huán)境光線具有局限性，在效果和成本上優(yōu)勢(shì)不明顯；還有基于激光雷達(dá)+uwb的機(jī)器人，這種機(jī)器人定位精度高，工作范圍廣，但是需要安裝至少三個(gè)基站，依然需要對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行改造，而且激光雷達(dá)成本也很高，也不是很適合普通家庭場景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)及方法，以降低對(duì)機(jī)器人硬件設(shè)備及工作環(huán)境的要求。

為此，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)，包括：紅外傳感器測(cè)距單元、與所述紅外傳感器測(cè)距單元信號(hào)相連的上位機(jī)、與所述上位機(jī)通信的主控制器、與所述主控制器信號(hào)相連的電機(jī)；

紅外傳感器測(cè)距單元，用于實(shí)時(shí)測(cè)量一個(gè)或多個(gè)不同方向上的障礙物與所述移動(dòng)機(jī)器人的距離；

上位機(jī)，用于根據(jù)所述障礙物與所述移動(dòng)機(jī)器人的距離對(duì)所述移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，生成導(dǎo)航信息，將所述導(dǎo)航信息下發(fā)給主控器；

所述主控制器，用于根據(jù)所述主控器下發(fā)的導(dǎo)航信息，控制所述電機(jī)工作，以使所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述移動(dòng)機(jī)器人自主行走。

優(yōu)選地，所述紅外傳感器測(cè)距單元包括：安裝在所述移動(dòng)機(jī)器人前面左側(cè)的第一紅外傳感器、安裝在所述移動(dòng)機(jī)器人前面右側(cè)的第二紅外傳感器、以及安裝在所述移動(dòng)機(jī)器人后面的至少一個(gè)第三紅外傳感器；

所述第一紅外傳感器，用于測(cè)量所述移動(dòng)機(jī)器人左前方障礙物的距離；

所述第二紅外傳感器，用于測(cè)量所述移動(dòng)機(jī)器人右前方障礙物的距離；

所述第三紅外傳感器，用于測(cè)量所述移動(dòng)機(jī)器人后方障礙物的距離。

優(yōu)選地，所述第一紅外傳感器和所述第二紅外傳感器的探測(cè)方向與水平面成設(shè)定角度。

優(yōu)選地，所述上位機(jī)，還用于根據(jù)所述紅外傳感器測(cè)距單元測(cè)量得到的距離判斷在設(shè)定范圍內(nèi)是否有障礙物；如果是，則向所述主控制器發(fā)送停止行進(jìn)指令，以使所述主控制器控制電機(jī)停止工作；并且在所述移動(dòng)機(jī)器人停止行進(jìn)后的設(shè)定時(shí)間內(nèi)，根據(jù)所述紅外傳感器測(cè)距單元測(cè)量得到的距離判斷所述障礙物是否已離開；如果是，則向所述主控制器發(fā)送繼續(xù)行進(jìn)指令，以使所述主控制器控制電機(jī)恢復(fù)工作；如果否，則進(jìn)行繞障處理。

優(yōu)選地，所述上位機(jī)采用基于狀態(tài)機(jī)的遞歸算法進(jìn)行繞障處理。

優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括：

警示單元，用于根據(jù)所述上位機(jī)的控制進(jìn)行信息提示；

所述上位機(jī)，還用于根據(jù)所述紅外傳感器測(cè)距單元測(cè)量得到的距離判斷在設(shè)定范圍內(nèi)有障礙物后，控制所述警示單元進(jìn)行信息提示。

優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括：

慣性測(cè)量單元，用于實(shí)時(shí)獲取所述移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；

所述上位機(jī)，還用于根據(jù)所述移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾偏處理。

優(yōu)選地，所述慣性測(cè)量單元包括以下任意一種或多種：加速度計(jì)，陀螺儀，磁力計(jì)。

一種移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法，包括：

實(shí)時(shí)測(cè)量一個(gè)或多個(gè)不同方向上的障礙物與所述移動(dòng)機(jī)器人的距離；

根據(jù)所述障礙物與所述移動(dòng)機(jī)器人的距離對(duì)所述移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，生成導(dǎo)航信息；

根據(jù)所述導(dǎo)航信息，控制電機(jī)工作，以使所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述移動(dòng)機(jī)器人自主行走。

優(yōu)選地，所述實(shí)時(shí)測(cè)量一個(gè)或多個(gè)不同方向上的障礙物與所述移動(dòng)機(jī)器人的距離包括：

利用安裝在所述移動(dòng)機(jī)器人前面左側(cè)的第一紅外傳感器測(cè)量所述移動(dòng)機(jī)器人左前方障礙物的距離；

利用安裝在所述移動(dòng)機(jī)器人前面右側(cè)的第二紅外傳感器測(cè)量所述移動(dòng)機(jī)器人右前方障礙物的距離；

利用安裝在所述移動(dòng)機(jī)器人后面的至少一個(gè)第三紅外傳感器測(cè)量所述移動(dòng)機(jī)器人后方障礙物的距離。

優(yōu)選地，所述方法還包括：

根據(jù)測(cè)量得到的距離判斷在設(shè)定范圍內(nèi)是否有障礙物；

如果是，則控制所述移動(dòng)機(jī)器人停止行進(jìn)；

如果在所述移動(dòng)機(jī)器人停止行進(jìn)后的設(shè)定時(shí)間內(nèi)，所述障礙物仍在設(shè)定范圍內(nèi)，則進(jìn)行繞障處理。

優(yōu)選地，所述方法還包括：

在控制所述移動(dòng)機(jī)器人停止行進(jìn)后，進(jìn)行信息提示。

優(yōu)選地，所述進(jìn)行信息提示包括：

通過語音播放器播放提示語音；和/或

控制信號(hào)燈點(diǎn)亮或閃爍。

優(yōu)選地，所述進(jìn)行繞障處理包括：

采用基于狀態(tài)機(jī)的遞歸算法進(jìn)行繞障處理。

優(yōu)選地，所述方法還包括：

實(shí)時(shí)獲取所述移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；

根據(jù)所述移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾偏處理。

優(yōu)選地，所述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括：直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)；

在所述移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)過程中，進(jìn)行糾偏處理包括：

在檢測(cè)到所述移動(dòng)機(jī)器人偏離直線后，繼續(xù)檢測(cè)偏離角度；

如果偏離角度小于設(shè)定的角度閾值，則計(jì)算得到糾偏量，并根據(jù)所述糾偏量及移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)正反解對(duì)所述移動(dòng)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行pid閉環(huán)控制；

如果偏離角度大于或等于所述設(shè)定的角度閾值，則暫停當(dāng)前運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)偏離角度及偏離方向控制所述移動(dòng)機(jī)器人原地轉(zhuǎn)彎，以使所述移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎回到原來的方向；在轉(zhuǎn)彎完成后，控制所述移動(dòng)機(jī)器人繼續(xù)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)；

在所述移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)過程中，進(jìn)行糾偏處理包括：

獲取所述移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際轉(zhuǎn)彎角度，并計(jì)算所述實(shí)際轉(zhuǎn)彎角度與理論轉(zhuǎn)彎角度的差值，并將該差值作為偏離角度；

如果所述偏離角度小于設(shè)定值，則根據(jù)所述偏離角度及移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)正反解對(duì)所述移動(dòng)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行pid閉環(huán)控制；

如果所述偏離角度大于或等于所述設(shè)定值，則控制所述移動(dòng)機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，并在等待設(shè)定時(shí)間后從當(dāng)前姿態(tài)繼續(xù)開始運(yùn)動(dòng)；

如果持續(xù)因所述偏離角度大于或等于所述設(shè)定值而停止運(yùn)動(dòng)的次數(shù)達(dá)到設(shè)定次數(shù)，則放棄轉(zhuǎn)彎任務(wù)，重新規(guī)劃路徑。

本發(fā)明實(shí)施例提供的移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)及方法，利用低成本的紅外測(cè)距傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量一個(gè)或多個(gè)不同方向上的障礙物與所述移動(dòng)機(jī)器人的距離，基于測(cè)量得到的數(shù)據(jù)對(duì)所述移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，生成導(dǎo)航信息，根據(jù)導(dǎo)航信息，控制電機(jī)工作，以使所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人自主行走。本發(fā)明實(shí)施例的移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)及方法，可以大大降低對(duì)機(jī)器人硬件設(shè)備及工作環(huán)境的要求，尤其適用于普通家庭場景、以及對(duì)機(jī)器人自主導(dǎo)航精度要求較低的場景。

進(jìn)一步地，本發(fā)明移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)及方法，在移動(dòng)機(jī)器人前方有障礙物時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人自主繞障。

進(jìn)一步地，還用于根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的行進(jìn)狀態(tài)及行進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾偏處理，從而有效提高控制精度。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中安裝在機(jī)器人前面的兩個(gè)紅外測(cè)距傳感器的示意圖；

圖3是本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)施例中紅外傳感器安裝角度與障礙物探測(cè)距離示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中基于狀態(tài)機(jī)的一級(jí)繞障狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中基于狀態(tài)機(jī)的二級(jí)繞障狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法的流程圖；

圖8是本發(fā)明方法實(shí)施例中繞障檢測(cè)及處理的流程圖；

圖9是本發(fā)明方法實(shí)施例中機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)過程中的糾偏處理流程圖；

圖10是本發(fā)明方法實(shí)施例中機(jī)器人轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)過程中的糾偏處理流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明實(shí)施例的方案，下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示，是本發(fā)明實(shí)施例移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

在該實(shí)施例中，所述系統(tǒng)包括：紅外傳感器測(cè)距單元、與所述紅外傳感器測(cè)距單元信號(hào)相連的上位機(jī)、與所述上位機(jī)通信的主控制器、與所述主控制器信號(hào)相連的電機(jī)。其中：

紅外傳感器測(cè)距單元，用于實(shí)時(shí)測(cè)量一個(gè)或多個(gè)不同方向上的障礙物與所述移動(dòng)機(jī)器人的距離；

上位機(jī)，用于根據(jù)所述障礙物與所述移動(dòng)機(jī)器人的距離對(duì)所述移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，生成導(dǎo)航信息，將所述導(dǎo)航信息下發(fā)給主控器；

主控制器，用于根據(jù)所述主控器下發(fā)的導(dǎo)航信息，控制所述電機(jī)工作，以使所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述移動(dòng)機(jī)器人自主行走。所述導(dǎo)航信息可以包括行進(jìn)序列信息(比如前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等)和行進(jìn)參數(shù)(比如，啟停、使能、睡眠等)。

需要說明的是，在實(shí)際應(yīng)用中，上述紅外傳感器測(cè)距單元可以由一個(gè)或多個(gè)紅外測(cè)距傳感器組成。比如，只需機(jī)器人單一方向行走的應(yīng)用環(huán)境中，可以在機(jī)器人的前面中間位置安裝一個(gè)紅外測(cè)距傳感器，或者前、后各安裝一個(gè)紅外測(cè)距傳感器；在需要機(jī)器人能夠多方行走的應(yīng)用環(huán)境中，可以在機(jī)器人的前面左、右兩側(cè)各安裝一個(gè)紅外測(cè)距傳感器，或者前面安裝兩個(gè)、后面安裝一個(gè)或多個(gè)紅外測(cè)距傳感器。

如圖2所示，是本發(fā)明實(shí)施例中安裝在機(jī)器人前面的兩個(gè)紅外測(cè)距傳感器的示意圖。其中，第一紅外傳感器21安裝在移動(dòng)機(jī)器人前面左側(cè)，用于測(cè)量所述移動(dòng)機(jī)器人左前方障礙物的距離；第二紅外傳感器22安裝在移動(dòng)機(jī)器人前面右側(cè)，用于測(cè)量所述移動(dòng)機(jī)器人右前方障礙物的距離。這樣便于識(shí)別左右障礙，也減少識(shí)別盲區(qū)。當(dāng)然，根據(jù)應(yīng)用需要，還可以在所述移動(dòng)機(jī)器人后面安裝一個(gè)或多個(gè)第三紅外傳感器(未圖示)。因?yàn)闄C(jī)器人很少直接倒車，因此在機(jī)器人后面只安裝1個(gè)紅外傳感器，既可節(jié)省成本，也不會(huì)影響運(yùn)動(dòng)控制效果。另外，考慮到成本問題，可以采用測(cè)距為20cm左右的紅外測(cè)距傳感器。

當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，紅外測(cè)距傳感器的具體數(shù)量及安裝位置可根據(jù)應(yīng)用需求來確定，對(duì)此本發(fā)明實(shí)施例不做限定。

紅外測(cè)距傳感器是利用紅外信號(hào)遇到障礙物距離的不同，反射強(qiáng)度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測(cè)。紅外測(cè)距傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號(hào)，接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)。當(dāng)紅外的檢測(cè)方向遇到障礙物時(shí)，紅外信號(hào)反射回來被接收管接收，經(jīng)過處理之后，通過數(shù)字傳感器接口返回到機(jī)器人主機(jī)，機(jī)器人即可利用紅外的返回信號(hào)來識(shí)別周圍環(huán)境的變化。它的原理是接收管接收的光強(qiáng)隨反射物體的距離而變化的，距離近則反射光強(qiáng)，距離遠(yuǎn)則反射光弱。

進(jìn)一步，為了使紅外測(cè)距傳感器能夠認(rèn)別懸崖，如圖3所示，在本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)中，還可以將將紅外測(cè)距傳感器以一定高度h(如30mm)、一定水平向下傾斜角度α(如10度)安裝。在這種安裝方式下，無障礙物時(shí)，能檢測(cè)最大距離是d＝h/tanα，當(dāng)然斜邊長h/sinα必須小于傳感器最大測(cè)量范圍。如果前面有懸崖，那么反射回來的光量將出現(xiàn)突變，紅外測(cè)距傳感器返回的測(cè)量數(shù)據(jù)將發(fā)生突變，即由大(如1000)突然變小(如500)，此時(shí)即可判斷前面有懸崖。

在本發(fā)明系統(tǒng)中，可以采用測(cè)量數(shù)據(jù)的絕對(duì)值來判斷障礙物及懸崖的距離?？紤]到多種顏色地面對(duì)紅外反射情況不一，如白色墻壁，紅外傳感器可以識(shí)別18cm遠(yuǎn)處的障礙物，黃色墻壁可以識(shí)別15cm遠(yuǎn)處的障礙物，黑色墻壁可以識(shí)別10cm處的墻壁，因此，在本發(fā)明系統(tǒng)中，可以采用木桶原則，設(shè)計(jì)識(shí)別距離為其中的最短距離，如上述針對(duì)不同顏色地面，設(shè)計(jì)識(shí)別距離為10cm，這樣基本可以適配常見家庭應(yīng)用場景。

另外，由于所述紅外測(cè)距傳感器可以探測(cè)前方一個(gè)圓錐面內(nèi)的障礙物，錐頂即為該紅外測(cè)距傳感器當(dāng)前位置，因此，對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，可以設(shè)置不同的檢測(cè)門限，如直線運(yùn)動(dòng)需要識(shí)別10cm遠(yuǎn)處的障礙物，而轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)只需要保證轉(zhuǎn)彎過程中機(jī)器人身體不觸碰障礙物即可，因此可以降低要求，只需要識(shí)別3cm遠(yuǎn)處的障礙物即可，這樣即可避免機(jī)器人轉(zhuǎn)彎過程中，附近3cm-10cm之間障礙物的干擾。需要說明的是，在本發(fā)明實(shí)施例中，所述轉(zhuǎn)彎是指機(jī)器人原地轉(zhuǎn)彎。

在導(dǎo)航過程中，為了避免人正常行走對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)造成干擾，在本發(fā)明系統(tǒng)另一實(shí)施例中，所述上位機(jī)還提供動(dòng)態(tài)障礙物檢測(cè)功能。具體地，在機(jī)器人行進(jìn)過程中，如果紅外傳感器測(cè)量得到的距離落在障礙物檢測(cè)門限范圍內(nèi)時(shí)，上位機(jī)向主控制器發(fā)送停止行進(jìn)指令；相應(yīng)地，主控制器收到該指令后，控制電機(jī)停止工作，從而使機(jī)器人立刻停止行進(jìn)。如果在機(jī)器人停止行進(jìn)后的一段時(shí)間內(nèi)，障礙物離開，也就是說，紅外傳感器測(cè)量得到的距離不在障礙物檢測(cè)門限范圍內(nèi)時(shí)，上位機(jī)向主控制器發(fā)送繼續(xù)行進(jìn)指令；相應(yīng)地，主控制器收到該指令后，控制電機(jī)恢復(fù)工作，從而使機(jī)器人繼續(xù)按照規(guī)劃的路徑行進(jìn)。如果在機(jī)器人停止行進(jìn)后的一段時(shí)間內(nèi)，障礙物沒有離開，也就是說，紅外傳感器測(cè)量得到的距離仍在障礙物檢測(cè)門限范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)可以繼續(xù)等待障礙物離開，也可以由上位機(jī)啟動(dòng)繞障處理。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)中，還可包括警示單元(未圖示)，用于根據(jù)所述上位機(jī)的控制進(jìn)行信息提示。具體地，所述上位機(jī)根據(jù)所述紅外傳感器測(cè)距單元測(cè)量得到的距離判斷在設(shè)定范圍內(nèi)有障礙物后，控制所述警示單元進(jìn)行信息提示。所述警示單元可以是：語音播放器，和/或信號(hào)燈等，也就是說，可以通過單一方式(比如語音、點(diǎn)亮信號(hào)燈等)進(jìn)行信息提示，也可以同時(shí)采用多種方式進(jìn)行信息提示，對(duì)此本發(fā)明實(shí)施例不做限定。通過警示單元的提示，可以使人工對(duì)所述移動(dòng)機(jī)器人的行走進(jìn)行干預(yù)。當(dāng)然，也可以不用設(shè)置上述警示單元，而是由上位機(jī)進(jìn)行繞障處理，從而使機(jī)器人繞過前面的障礙物，并最終回到既定路徑上繼續(xù)行進(jìn)。

在現(xiàn)有技術(shù)中，機(jī)器人行進(jìn)中如果遇到障礙物，大多數(shù)無圖繞障方案都是控制機(jī)器人一直朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)，或者向無障礙物的方向轉(zhuǎn)，這樣的方案在機(jī)器人同時(shí)遇到多個(gè)障礙物時(shí)，則可能出現(xiàn)在一個(gè)區(qū)域繞圈的情況。

針對(duì)上述問題，本發(fā)明系統(tǒng)中，所述上位機(jī)采用基于狀態(tài)機(jī)的遞歸算法進(jìn)行繞障處理，如遇到障礙物后，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)機(jī)情況，如果左右方向都沒有嘗試，則先往遠(yuǎn)離障礙物的一邊轉(zhuǎn)彎，繞過障礙物后，再回到原來規(guī)劃的路徑上；如果無法越過障礙物，則原路退回，選擇規(guī)劃的另一條路徑繼續(xù)行進(jìn)。通過這種方式的繞障處理，在無法通過轉(zhuǎn)彎的方式繞過障礙物的情況下，也能夠選擇其它可能的路徑，從而可以最大程度地避免障礙物對(duì)機(jī)器人行進(jìn)行影響，有效地提高機(jī)器人的繞障能力。圖4和圖5分別示出了本發(fā)明實(shí)施例中基于狀態(tài)機(jī)的一級(jí)繞障狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖及二級(jí)繞障狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，其中，d左表示左前方距離障礙物的距離，d右表示右前方距離障礙物的距離。

如圖6所示，是本發(fā)明實(shí)施例移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。

與圖1所示實(shí)施例不同的是，在該實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包括：慣性測(cè)量單元，用于實(shí)時(shí)獲取所述移動(dòng)機(jī)器人的行進(jìn)狀態(tài)及行進(jìn)數(shù)據(jù)。所述慣性測(cè)量單元包括：加速度計(jì)、陀螺儀，還可進(jìn)一步包括磁力計(jì)等。其中，加速度計(jì)能感知x，y，z方向加速度，通過對(duì)加速度積分得到速度，對(duì)速度積分得到距離；陀螺儀能感知繞x，y，z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，通過對(duì)角速度積分，可以得到繞x，y，z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；由于陀螺儀容易漂移，可以與磁力計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而獲得比較可靠的結(jié)果。

直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過融合陀螺儀及磁力計(jì)的數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出機(jī)器人是否偏離航線，偏離多少度，進(jìn)而通過糾偏算法及時(shí)糾正。通過加速度數(shù)據(jù)，可以計(jì)算行進(jìn)距離，然后與理論行進(jìn)距離進(jìn)行比較，進(jìn)而計(jì)算出糾偏量，避免機(jī)器人由于打滑等因素造成走的距離不準(zhǔn)確問題。

原地轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過融合陀螺儀及磁力計(jì)的數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出機(jī)器人實(shí)際轉(zhuǎn)彎的角度，然后與理論行進(jìn)轉(zhuǎn)彎角度進(jìn)行比較，進(jìn)而計(jì)算出糾偏量。

相應(yīng)地，在該實(shí)施例中，所述上位機(jī)還用于根據(jù)所述移動(dòng)機(jī)器人的行進(jìn)狀態(tài)及行進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾偏處理，另外，由于上位機(jī)與下位機(jī)即前面所述的主控制器通信存在一定延時(shí)，因此在糾偏過程中，還引入了pid(比例-積分-微分)控制調(diào)節(jié)方法，運(yùn)用d的預(yù)測(cè)性解決延時(shí)問題。具體糾偏處理的過程將在后面本發(fā)明移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法實(shí)施例中詳細(xì)說明。

在本發(fā)明系統(tǒng)中，所述上位機(jī)可以基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)，建立機(jī)器人全局坐標(biāo)系(一般以充電樁為全局坐標(biāo)零點(diǎn)，前面朝向x軸正方向，按照右手系確定y軸，機(jī)器人前進(jìn)方向與x軸正方向夾角定為θ)與局部坐標(biāo)系(以機(jī)器人當(dāng)前位置為零點(diǎn)，前正后負(fù)，左正右負(fù))進(jìn)行糾偏、導(dǎo)航、繞障的路徑規(guī)劃，同時(shí)也可以通過繞障過程中，機(jī)器人在每個(gè)方向行進(jìn)的距離(如往前走10cm障礙消失，往右轉(zhuǎn)彎90度，再往前走20cm，右側(cè)障礙物消失，那么粗略估計(jì)障礙物似乎10*20cm大小)，大致估算出障礙物的長寬大小情況，進(jìn)行路徑規(guī)劃，做到不建圖的導(dǎo)航和繞障。

另外，為了避免機(jī)器人長期運(yùn)動(dòng)累計(jì)誤差影響定位導(dǎo)航，在本發(fā)明系統(tǒng)另一實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還可以包括：自校準(zhǔn)單元(未圖示)，用于在所述移動(dòng)機(jī)器人回到充電樁位置，即充電時(shí)，重置全局坐標(biāo)系并復(fù)位零點(diǎn)位置，以消除累積誤差的影響。

本發(fā)明實(shí)施例提供的移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)，利用低成本的紅外測(cè)距傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量一個(gè)或多個(gè)不同方向上的障礙物與所述移動(dòng)機(jī)器人的距離，根據(jù)所述障礙物與所述移動(dòng)機(jī)器人的距離對(duì)所述移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，生成導(dǎo)航信息，根據(jù)導(dǎo)航信息，控制電機(jī)工作，以使所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人自主行走。本發(fā)明實(shí)施例的移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)及方法，可以大大降低對(duì)機(jī)器人硬件設(shè)備及工作環(huán)境的要求，尤其適用于普通家庭場景、以及對(duì)機(jī)器人自主導(dǎo)航精度要求較低的場景。

進(jìn)一步地，本發(fā)明移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)，在移動(dòng)機(jī)器人前方有障礙物時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人自主繞障，提高機(jī)器人的行走能力。而且，還可以根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的行進(jìn)狀態(tài)及行進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾偏處理，從而有效提高控制精度。

相應(yīng)地，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法，如圖7所示，是本發(fā)明實(shí)施例移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法的一種流程圖，包括以下步驟：

步驟701，實(shí)時(shí)測(cè)量一個(gè)或多個(gè)不同方向上的障礙物與所述移動(dòng)機(jī)器人的距離。

比如，利用安裝在所述移動(dòng)機(jī)器人前面左側(cè)的第一紅外傳感器測(cè)量所述移動(dòng)機(jī)器人左前方障礙物的距離；利用安裝在所述移動(dòng)機(jī)器人前面右側(cè)的第二紅外傳感器測(cè)量所述移動(dòng)機(jī)器人右前方障礙物的距離；利用安裝在所述移動(dòng)機(jī)器人后面的至少一個(gè)第三紅外傳感器測(cè)量所述移動(dòng)機(jī)器人后方障礙物的距離。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)機(jī)器人的行走需求及應(yīng)用環(huán)境來確定紅外傳感器的數(shù)量及安裝位置，對(duì)此本發(fā)明實(shí)施例不做限定。另外，為了能夠探測(cè)到懸崖，還可以按照預(yù)設(shè)角度安裝所述紅外傳感器，即紅外傳感器的探測(cè)方向與水平面成設(shè)定角度，具體的安裝角度可以根據(jù)探測(cè)距離來確定。

步驟702，根據(jù)所述障礙物與所述移動(dòng)機(jī)器人的距離對(duì)所述移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，生成導(dǎo)航信息。

具體地，需要根據(jù)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)確定機(jī)器人的行走路徑、運(yùn)動(dòng)軌跡，另外，還需要一些插補(bǔ)處理，以得到平滑的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，具體的路徑規(guī)劃方式可采用現(xiàn)有技術(shù)，根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)需求來確定，對(duì)此本發(fā)明實(shí)施例不做限定。

步驟703，根據(jù)所述導(dǎo)航信息，控制電機(jī)工作，以使所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述移動(dòng)機(jī)器人自主行走。

在機(jī)器人行走過程中，為了避免人正常行走對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)造成干擾，在本發(fā)明方法另一實(shí)施例中，還提供機(jī)器人行走繞障處理方案。如圖8所示，是本發(fā)明方法實(shí)施例中繞障檢測(cè)及處理的流程圖，包括以下步驟：

步驟801，獲取測(cè)量得到的障礙物與所述移動(dòng)機(jī)器人的距離。

步驟802，判斷所述距離是否在設(shè)定范圍內(nèi)，也就是說，判斷在設(shè)定范圍內(nèi)是否有障礙物；如果是，則執(zhí)行步驟803；否則，執(zhí)行步驟806。

步驟803，控制移動(dòng)機(jī)器人停止行進(jìn)，并開始計(jì)時(shí)。

步驟804，判斷在計(jì)時(shí)時(shí)限內(nèi)，所述障礙物是否離開；如果是，則執(zhí)行步驟806；否則，執(zhí)行步驟805；

步驟805；進(jìn)行繞障處理。

為了避免在機(jī)器人同時(shí)遇到多個(gè)障礙物時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)區(qū)域繞圈的情況，在本發(fā)明實(shí)施例中，可以采用基于狀態(tài)機(jī)的遞歸算法進(jìn)行繞障處理，具體處理過程前面已有詳細(xì)說明，在此不再贅述。

步驟806，控制移動(dòng)機(jī)器人按規(guī)劃的路徑繼續(xù)行進(jìn)。

需要說明的是，在控制所述移動(dòng)機(jī)器人停止行進(jìn)后，還可以進(jìn)行信息提示。比如，通過語音播放器播放提示語音；和/或控制信號(hào)燈點(diǎn)亮或閃爍。

進(jìn)一步地，為了避免機(jī)器人行走過程中因輪子打滑等情況引入航跡誤差，在本發(fā)明方法另一實(shí)施例中，還提供糾偏處理方案。具體地，可以實(shí)時(shí)獲取所述移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(是直線運(yùn)動(dòng)還是轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng))及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；并根據(jù)所述移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾偏處理?；谝苿?dòng)機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同，糾偏處理的具體方式也不同，下面分別進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖9所示，是本發(fā)明方法實(shí)施例中機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)過程中的糾偏處理流程圖，包括以下步驟：

步驟901，檢測(cè)到移動(dòng)機(jī)器人偏離直線；

比如，通過融合陀螺儀及磁力計(jì)數(shù)據(jù)，可以確定移動(dòng)機(jī)器人是否偏離直線；

步驟902，檢測(cè)偏離角度是否小于設(shè)定的角度閾值(比如8度)；如果是，則執(zhí)行步驟903；否則，執(zhí)行步驟904；

具體地，可以通過融合陀螺儀及磁力計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算偏離角度，具體計(jì)算方式可以采用現(xiàn)有技術(shù)，對(duì)此本發(fā)明實(shí)施例不做限定；

步驟903，計(jì)算得到糾偏量，并根據(jù)所述糾偏量及移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)正反解對(duì)所述移動(dòng)機(jī)器人的行走(比如輪子或者履帶)機(jī)構(gòu)進(jìn)行pid閉環(huán)控制；

步驟904，暫停當(dāng)前運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)偏離角度及偏離方向控制所述移動(dòng)機(jī)器人原地轉(zhuǎn)彎；比如，向左偏了30度，則應(yīng)在原地向右轉(zhuǎn)30度，從而轉(zhuǎn)彎回到原來的方向；

步驟905，在原地轉(zhuǎn)彎完成后，控制所述移動(dòng)機(jī)器人繼續(xù)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)。

如圖10所示，是本發(fā)明方法實(shí)施例中機(jī)器人轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)過程中的糾偏處理流程圖，包括以下步驟：

步驟101，獲取移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際轉(zhuǎn)彎角度，并計(jì)算所述實(shí)際轉(zhuǎn)彎角度與理論轉(zhuǎn)彎角度的差值，將該差值作為偏離角度；

比如，通過融合實(shí)時(shí)采集的陀螺儀及磁力計(jì)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算得到所述移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際轉(zhuǎn)彎角度；

步驟102，判斷所述偏離角度是否小于設(shè)定值(如15度)；如果是，則執(zhí)行步驟103；否則，執(zhí)行步驟104；

步驟103，根據(jù)所述偏離角度及移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)正反解對(duì)所述移動(dòng)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行pid閉環(huán)控制；比如，將偏離角度調(diào)整量轉(zhuǎn)換為機(jī)器人輪子或者履帶等執(zhí)行器的輸入量；

步驟104，控制所述移動(dòng)機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，并在等待設(shè)定時(shí)間后從當(dāng)前姿態(tài)繼續(xù)開始運(yùn)動(dòng)。

需要說明的是，重新運(yùn)動(dòng)，可能會(huì)有以下兩種情況：(1)如果是動(dòng)態(tài)障礙物，障礙物離去，則重新開始運(yùn)動(dòng)是可以到達(dá)目標(biāo)；(2)如果是靜態(tài)障礙物或者外界故意一直干擾，那么就繼續(xù)停止，以避免障礙卡死機(jī)器人，機(jī)器人一直運(yùn)動(dòng)，會(huì)燒壞機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部件；因此，在這種情況下，如果嘗試次數(shù)超過設(shè)定次數(shù)(比如3次)，則放棄轉(zhuǎn)彎任務(wù)，重新進(jìn)行路徑規(guī)劃，比如迂回繞開后再回到期望的路徑上。

需要說明的是，考慮到轉(zhuǎn)彎偏離角度太大(如超過15度)的情況，多是由于機(jī)器人被障礙物卡住或者人為擋住，因此，在上述步驟104中，還可以通過聲音或者其他方式對(duì)障礙物進(jìn)行提示。

本發(fā)明實(shí)施例提供的移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法，利用低成本的紅外測(cè)距傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量一個(gè)或多個(gè)不同方向上的障礙物與所述移動(dòng)機(jī)器人的距離，根據(jù)所述障礙物與所述移動(dòng)機(jī)器人的距離對(duì)所述移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，生成導(dǎo)航信息，根據(jù)導(dǎo)航信息，控制電機(jī)工作，以使所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人自主行走。本發(fā)明實(shí)施例的移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)及方法，可以大大降低對(duì)機(jī)器人硬件設(shè)備及工作環(huán)境的要求，尤其適用于普通家庭場景、以及對(duì)機(jī)器人自主導(dǎo)航精度要求較低的場景。進(jìn)一步地，還可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人自主繞障及糾偏處理，從而有效提高機(jī)器人的性能。

以上對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及系統(tǒng)；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。