基于tdoa定位的室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于TDOA定位的室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，包括機(jī)器人及控制機(jī)器人行走的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括TDOA定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)輸入端口、避障系統(tǒng)和處理模塊，TDOA定位系統(tǒng)包括固定設(shè)置在機(jī)器人上的定位測量模塊及固定設(shè)置在室內(nèi)固定物上的三個定位基準(zhǔn)點，三個定位基準(zhǔn)點不位于同一直線上，數(shù)據(jù)輸入端口用以輸入已經(jīng)二維坐標(biāo)數(shù)組化的室內(nèi)環(huán)境地圖、二維坐標(biāo)數(shù)組化的運(yùn)動路徑、二維坐標(biāo)數(shù)組化的定位基準(zhǔn)點，處理模塊包括存儲室內(nèi)環(huán)境地圖、運(yùn)動路徑的儲存模塊及向驅(qū)動機(jī)構(gòu)發(fā)出行走指令的輸出模塊。本發(fā)明具有定位精度高、通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、地圖和路徑構(gòu)建簡單、靈活性高的優(yōu)點。
【專利說明】
基于TDOA定位的室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及基于TDOA定位的室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人是智能機(jī)器人的一個重要分支，與工業(yè)機(jī)器人和室外機(jī)器人不同，室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人主要工作在結(jié)構(gòu)化的室內(nèi)環(huán)境中，比如醫(yī)院、餐廳、家庭等場所，實現(xiàn)物品的遞送、客戶引導(dǎo)、清潔、娛樂等服務(wù)任務(wù)。
[0003]目前，室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人的定位和導(dǎo)航方式主要包括:磁條定位和導(dǎo)航、視覺定位和導(dǎo)航、激光定位和導(dǎo)航、無線定位和導(dǎo)航等方式。其中，磁條定位是通過在機(jī)器人行走路徑上鋪設(shè)磁條和標(biāo)記點，由機(jī)器人攜帶的磁導(dǎo)航傳感器和標(biāo)記點感應(yīng)傳感器獲取路徑信息和定位信息，目前被餐廳服務(wù)機(jī)器人和物流配送機(jī)器人所普遍采用。這種導(dǎo)航和定位方法原理簡單，但是靈活性不足，尤其對具有復(fù)雜交叉路徑的環(huán)境，磁條的鋪設(shè)和控制均比較復(fù)雜，并且后期維護(hù)也較繁瑣，此外，對酒店和餐廳應(yīng)用的服務(wù)機(jī)器人，貼在地面上的磁條嚴(yán)重影響了美觀。視覺定位和導(dǎo)航方式是使用基于圖像背景的定位原理實現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境下的運(yùn)動，這種方式存在對環(huán)境適應(yīng)能力差和位置精度誤差大的缺點，在環(huán)境改變后，需要重新進(jìn)行地圖構(gòu)建和定位。激光定位和導(dǎo)航是利用激光掃描傳感器獲得周圍環(huán)境的坐標(biāo)信息以實現(xiàn)定位和導(dǎo)航，該定位和導(dǎo)航方式精度高，可達(dá)毫米級，但價格高，主要應(yīng)用于高端的工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人，難以應(yīng)用于室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人。無線定位和導(dǎo)航方案可采用包括Wif1、RFID、超聲波、藍(lán)牙、射頻等多種方式，然而基于Wif1、RFID、超聲波、藍(lán)牙的定位和導(dǎo)航均存在定位精度低的問題，定位精度為米級。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種具有定位精度高、通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、地圖和路徑構(gòu)建簡單、靈活性高的基于TDOA定位的室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:基于TDOA定位的室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，包括機(jī)器人及控制所述機(jī)器人行走的控制系統(tǒng)，所述機(jī)器人包括移動底盤及設(shè)置在所述移動底盤上的機(jī)器人主體，所述移動底盤包括底盤、設(shè)置在所述底盤上的驅(qū)動機(jī)構(gòu)、萬向輪機(jī)構(gòu)、電源系統(tǒng);所述控制系統(tǒng)包括TDOA定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)輸入端口、避障系統(tǒng)和處理模塊，所述TDOA定位系統(tǒng)包括固定設(shè)置在所述移動底盤上的定位測量模塊及固定設(shè)置在室內(nèi)固定物上的三個定位基準(zhǔn)點，三個所述定位基準(zhǔn)點不位于同一直線上，所述數(shù)據(jù)輸入端口用以輸入已經(jīng)二維坐標(biāo)數(shù)組化的室內(nèi)環(huán)境地圖、二維坐標(biāo)數(shù)組化的運(yùn)動路徑、二維坐標(biāo)數(shù)組化的所述定位基準(zhǔn)點，所述處理模塊包括存儲所述室內(nèi)環(huán)境地圖、運(yùn)動路徑的儲存模塊及向所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)發(fā)出行走指令的輸出模塊。
[0006]上述技術(shù)方案中，定位測量模塊則固定在移動底盤上，隨著機(jī)器人一起運(yùn)動。定位測量模塊每間隔一定時間向3個定位基準(zhǔn)點同時發(fā)出射頻通訊信號，各定位基準(zhǔn)點收到定位測量模塊的射頻通訊信號后會以一定的時序分別發(fā)送出一個反饋信號。定位測量模塊通過測量射頻信號發(fā)出時間和反饋信號的收到時間可以計算出射頻信號的飛行時間。通過計算3個定位基準(zhǔn)點與定位測量模塊之間射頻信號的飛行時間的時間差，可獲得定位測量模塊相對于3個定位基準(zhǔn)點之間的距離，從而實現(xiàn)機(jī)器人在二維室內(nèi)環(huán)境下的位置定位。在機(jī)器人的移動過程中，通過獲取定位測量模塊前后兩次定位的數(shù)據(jù)，可獲得機(jī)器人的運(yùn)動方向。
[0007]避障系統(tǒng)包括避障傳感器，當(dāng)避障傳感器感應(yīng)到行進(jìn)方向有障礙物時，機(jī)器人會停止前進(jìn)，并重新按處理模塊發(fā)出的修改后的指令行走。
[0008]優(yōu)選的技術(shù)方案，所述底盤上表面設(shè)置有安裝板，所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動輪、驅(qū)動所述驅(qū)動輪的驅(qū)動電機(jī)，所述驅(qū)動電機(jī)通過彈性懸掛裝置設(shè)置在所述安裝板上，所述彈性懸掛裝置包括固定安裝在所述安裝板上的楔形塊，所述楔形塊下表面兩端分別設(shè)置有一導(dǎo)軌，所述導(dǎo)軌下端固定設(shè)置在所述底盤上，所述導(dǎo)軌上由上而下依次設(shè)置有彈簧、滑動板、直線軸承，所述彈簧上端固定設(shè)置在所述安裝板上、下端固定設(shè)置在所述滑動板上，所述滑動板兩端各設(shè)置有一通孔，兩根所述導(dǎo)軌分別穿過所述通孔設(shè)置，所述直線軸承上端固定設(shè)置在所述滑動板下表面，所述驅(qū)動電機(jī)固定設(shè)置在所述滑動板下表面。
[0009]上述技術(shù)方案中，所述楔形塊的小表面為傾斜面，該傾斜面與安裝板的夾角為5°到35。，優(yōu)選為12°到30°。
[0010]優(yōu)選的技術(shù)方案，所述萬向輪機(jī)構(gòu)包括萬向輪及設(shè)置在所述萬向輪上端的至少四個減震墊。
[0011]優(yōu)選的技術(shù)方案，所述電源系統(tǒng)包括由多個蓄電池串聯(lián)而成的蓄電池組。
[0012]本發(fā)明的工作原理:
將機(jī)器人所在的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行手動測量，將機(jī)器人所在的室內(nèi)環(huán)境的二維地圖以二維坐標(biāo)數(shù)組的方式進(jìn)行表示，并將該室內(nèi)地圖數(shù)組數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)輸入端口輸入給處理模塊，從而處理模塊可以獲得所在室內(nèi)環(huán)境的地圖；將機(jī)器人的運(yùn)動路徑以二維坐標(biāo)數(shù)組的方式進(jìn)行表示，并將該數(shù)組數(shù)據(jù)輸入給處理模塊，從而處理模塊可以獲得在該室內(nèi)環(huán)境的運(yùn)動路徑;將3個定位基準(zhǔn)點的位置分別以二維坐標(biāo)數(shù)組的方式進(jìn)行表示，并將該數(shù)組數(shù)據(jù)輸入給處理模塊，從而處理模塊可以獲得定位基準(zhǔn)點在該室內(nèi)環(huán)境的位置。同時，位于機(jī)器人移動底盤上的TDOA定位系統(tǒng)的定位測量模塊每間隔一定時間向3個定位基準(zhǔn)點同時發(fā)出射頻通訊信號，各定位基準(zhǔn)點收到定位測量模塊的射頻通訊信號后會以一定的時序分別發(fā)送出一個反饋信號。定位測量模塊通過測量射頻信號發(fā)出時間和反饋信號的收到時間可以計算出射頻信號的飛行時間。通過計算3個定位基準(zhǔn)點與定位測量模塊之間射頻信號的飛行時間的時間差，可獲得定位測量模塊相對于3個定位基準(zhǔn)點之間的距離，從而實現(xiàn)機(jī)器人在二維室內(nèi)環(huán)境下的位置定位。
[0013]處理模塊根據(jù)所輸入的二維坐標(biāo)數(shù)組化的地圖數(shù)據(jù)或路徑數(shù)據(jù)，并結(jié)合TDOA定位系統(tǒng)獲得的機(jī)器人位置數(shù)據(jù)和定位基準(zhǔn)點的位置數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)在統(tǒng)一坐標(biāo)系下對機(jī)器人位置和室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取，從而通過處理模塊的輸出模塊給驅(qū)動機(jī)構(gòu)發(fā)出相關(guān)指令，可以實現(xiàn)機(jī)器人在該室內(nèi)環(huán)境下自主運(yùn)動，完成如送餐服務(wù)、迎賓服務(wù)、導(dǎo)購服務(wù)、清掃服務(wù)等功能。
[0014]由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點:
1、本發(fā)明在硬件上是利用無線射頻進(jìn)行位置測量，軟件上利用TDOA定位技術(shù)實現(xiàn)對機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境內(nèi)的定位和導(dǎo)航，定位精度在± 1cm至± 20cm，具有定位精度高、通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點；
2、本發(fā)明所提出的以二維坐標(biāo)數(shù)組的形式將室內(nèi)環(huán)境的二維地圖或路徑輸入給機(jī)器人控制系統(tǒng)，與采用視覺或激光傳感器進(jìn)行地圖構(gòu)建、定位和導(dǎo)航方法相比，具有操作簡單，靈活性尚的優(yōu)點；
3、本發(fā)明的移動底盤采用彈性懸掛裝置，在遇到小突起或者小凹坑的時候，抓地性強(qiáng)，不打滑，能夠平穩(wěn)前進(jìn)。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明實施例一移動底盤結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2位本發(fā)明實施例一彈性懸掛裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明實施例一機(jī)器人室內(nèi)定位示意圖；
圖4為本發(fā)明實施例一TDOA定位方法原理圖。
[0016]其中:1、移動底盤;2、定位測量模塊;3、定位基準(zhǔn)點；4、底盤;5、安裝板;6、彈性懸掛裝置;7、蓄電池組;8、萬向輪;9、楔形塊;10、導(dǎo)軌；11、固定塊;12、彈簧;13、滑動板;14、直線軸承;15、驅(qū)動輪;16、驅(qū)動電機(jī)。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
實施例一:
基于TDOA定位的室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，包括機(jī)器人及控制機(jī)器人行走的控制系統(tǒng)，機(jī)器人包括移動底盤I及設(shè)置在移動底盤I上的機(jī)器人主體，移動底盤I包括底盤4、設(shè)置在底盤4上的驅(qū)動機(jī)構(gòu)、萬向輪機(jī)構(gòu)、電源系統(tǒng);控制系統(tǒng)包括TDOA定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)輸入端口、避障系統(tǒng)和處理模塊，TDOA定位系統(tǒng)包括固定設(shè)置在移動底盤I上的定位測量模塊2及固定設(shè)置在室內(nèi)固定物上的三個定位基準(zhǔn)點3，三個定位基準(zhǔn)點3不位于同一直線上，數(shù)據(jù)輸入端口用以輸入已經(jīng)二維坐標(biāo)數(shù)組化的室內(nèi)環(huán)境地圖、二維坐標(biāo)數(shù)組化的運(yùn)動路徑、二維坐標(biāo)數(shù)組化的定位基準(zhǔn)點3，處理模塊包括存儲室內(nèi)環(huán)境地圖、運(yùn)動路徑的儲存模塊及向驅(qū)動機(jī)構(gòu)發(fā)出行走指令的輸出模塊。
[0018]如圖3、4所示，定位測量模塊2則固定在移動底盤I上，隨著機(jī)器人一起運(yùn)動。定位測量模塊2每間隔一定時間向3個定位基準(zhǔn)點3同時發(fā)出射頻通訊信號，各定位基準(zhǔn)點3收到定位測量模塊2的射頻通訊信號后會以一定的時序分別發(fā)送出一個反饋信號。定位測量模塊2通過測量射頻信號發(fā)出時間和反饋信號的收到時間可以計算出射頻信號的飛行時間。通過計算3個定位基準(zhǔn)點3與定位測量模塊2之間射頻信號的飛行時間的時間差，可獲得定位測量模塊2相對于3個定位基準(zhǔn)點3之間的距離，從而實現(xiàn)機(jī)器人在二維室內(nèi)環(huán)境下的位置定位。在機(jī)器人的移動過程中，通過獲取定位測量模塊2前后兩次定位的數(shù)據(jù)，可獲得機(jī)器人的運(yùn)動方向。
[0019]如圖1、2所示，底盤4上表面設(shè)置有安裝板5，驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動輪15、驅(qū)動驅(qū)動輪15的驅(qū)動電機(jī)16，驅(qū)動電機(jī)16通過彈性懸掛裝置6設(shè)置在安裝板5上，彈性懸掛裝置6包括固定安裝在安裝板5上的楔形塊9，楔形塊9下表面兩端分別設(shè)置有一導(dǎo)軌10，導(dǎo)軌10下端通過固定塊11固定設(shè)置在底盤4上，導(dǎo)軌10上由上而下依次設(shè)置有彈簧12、滑動板13、直線軸承14，彈簧12上端固定設(shè)置在安裝板5上、下端固定設(shè)置在滑動板13上，滑動板13兩端各設(shè)置有一通孔，兩根導(dǎo)軌10分別穿過通孔設(shè)置，直線軸承14上端固定設(shè)置在滑動板13下表面，驅(qū)動電機(jī)16固定設(shè)置在滑動板13下表面。
[0020]楔形塊9的小表面為傾斜面，該傾斜面與安裝板5的夾角為5°到35°，優(yōu)選為12°到30。。
[0021 ]萬向輪機(jī)構(gòu)包括四個萬向輪8及設(shè)置在萬向輪8上端的四個減震墊。
[0022 ]電源系統(tǒng)包括由多個蓄電池串聯(lián)而成的蓄電池組7。
[0023]本實施例的的使用方法:
將機(jī)器人所在的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行手動測量，將機(jī)器人所在的室內(nèi)環(huán)境的二維地圖以二維坐標(biāo)數(shù)組的方式進(jìn)行表示，并將該室內(nèi)地圖數(shù)組數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)輸入端口輸入給處理模塊，從而處理模塊可以獲得所在室內(nèi)環(huán)境的地圖；將機(jī)器人的運(yùn)動路徑以二維坐標(biāo)數(shù)組的方式進(jìn)行表示，并將該數(shù)組數(shù)據(jù)輸入給處理模塊，從而處理模塊可以獲得在該室內(nèi)環(huán)境的運(yùn)動路徑;將3個定位基準(zhǔn)點3的位置分別以二維坐標(biāo)數(shù)組的方式進(jìn)行表示，并將該數(shù)組數(shù)據(jù)輸入給處理模塊，從而處理模塊可以獲得定位基準(zhǔn)點3在該室內(nèi)環(huán)境的位置。同時，位于機(jī)器人移動底盤I上的TDOA定位系統(tǒng)的定位測量模塊2每間隔一定時間向3個定位基準(zhǔn)點3同時發(fā)出射頻通訊信號，各定位基準(zhǔn)點3收到定位測量模塊2的射頻通訊信號后會以一定的時序分別發(fā)送出一個反饋信號。定位測量模塊2通過測量射頻信號發(fā)出時間和反饋信號的收到時間可以計算出射頻信號的飛行時間。通過計算3個定位基準(zhǔn)點3與定位測量模塊2之間射頻信號的飛行時間的時間差，可獲得定位測量模塊2相對于3個定位基準(zhǔn)點3之間的距離，從而實現(xiàn)機(jī)器人在二維室內(nèi)環(huán)境下的位置定位。
[0024]處理模塊根據(jù)所輸入的二維坐標(biāo)數(shù)組化的地圖數(shù)據(jù)或路徑數(shù)據(jù)，并結(jié)合TDOA定位系統(tǒng)獲得的機(jī)器人位置數(shù)據(jù)和定位基準(zhǔn)點3的位置數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)在統(tǒng)一坐標(biāo)系下對機(jī)器人位置和室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取，從而通過處理模塊的輸出模塊給驅(qū)動機(jī)構(gòu)發(fā)出相關(guān)指令，可以實現(xiàn)機(jī)器人在該室內(nèi)環(huán)境下自主運(yùn)動，完成如送餐服務(wù)、迎賓服務(wù)、導(dǎo)購服務(wù)、清掃服務(wù)等功能。
【主權(quán)項】
1.一種基于TDOA定位的室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于:包括機(jī)器人及控制所述機(jī)器人行走的控制系統(tǒng)，所述機(jī)器人包括移動底盤及設(shè)置在所述移動底盤上的機(jī)器人主體，所述移動底盤包括底盤、設(shè)置在所述底盤上的驅(qū)動機(jī)構(gòu)、萬向輪機(jī)構(gòu)、電源系統(tǒng);所述控制系統(tǒng)包括TDOA定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)輸入端口、避障系統(tǒng)和處理模塊，所述TDOA定位系統(tǒng)包括固定設(shè)置在所述移動底盤上的定位測量模塊及固定設(shè)置在室內(nèi)固定物上的三個定位基準(zhǔn)點，三個所述定位基準(zhǔn)點不位于同一直線上，所述數(shù)據(jù)輸入端口用以輸入已經(jīng)二維坐標(biāo)數(shù)組化的室內(nèi)環(huán)境地圖、二維坐標(biāo)數(shù)組化的運(yùn)動路徑、二維坐標(biāo)數(shù)組化的所述定位基準(zhǔn)點，所述處理模塊包括存儲所述室內(nèi)環(huán)境地圖、運(yùn)動路徑的儲存模塊及向所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)發(fā)出行走指令的輸出模塊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TDOA定位的室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于:所述底盤上表面設(shè)置有安裝板，所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動輪、驅(qū)動所述驅(qū)動輪的驅(qū)動電機(jī)，所述驅(qū)動電機(jī)通過彈性懸掛裝置設(shè)置在所述安裝板上，所述彈性懸掛裝置包括固定安裝在所述安裝板上的楔形塊，所述楔形塊下表面兩端分別設(shè)置有一導(dǎo)軌，所述導(dǎo)軌下端固定設(shè)置在所述底盤上，所述導(dǎo)軌上由上而下依次設(shè)置有彈簧、滑動板、直線軸承，所述彈簧上端固定設(shè)置在所述安裝板上、下端固定設(shè)置在所述滑動板上，所述滑動板兩端各設(shè)置有一通孔，兩根所述導(dǎo)軌分別穿過所述通孔設(shè)置，所述直線軸承上端固定設(shè)置在所述滑動板下表面，所述驅(qū)動電機(jī)固定設(shè)置在所述滑動板下表面。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TDOA定位的室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于:所述萬向輪機(jī)構(gòu)包括萬向輪及設(shè)置在所述萬向輪上端的至少四個減震墊。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TDOA定位的室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于:所述電源系統(tǒng)包括由多個蓄電池串聯(lián)而成的蓄電池組。
【文檔編號】B25J11/00GK105856245SQ201610484637
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】胡海燕
【申請人】蘇州斯銳奇機(jī)器人有限公司