一种智能捡网球机器人的定位系统、方法及装置制造方法及图纸

技术编号:18395582 阅读:29 留言:0更新日期:2018-07-08 18:03
本发明专利技术提供一种智能捡网球机器人的定位系统方法及装置,系统包括:实时推算机器人移动过程中二维坐标和航向角的数据处理单元,校正机器人移动过程中航向角和二维坐标误差的误差校正单元,融合处理误差校正单元和数据处理单元的坐标构筑单元;采用STM32F103系列单片机作为定位模块的CPU,通过STM32单片机的硬件定时器接入电机编码器,I/O中断接入颜色传感器,STM32融合处理编码器信息和颜色传感器信息,得到机器人的位置信息,本发明专利技术保证了捡球机器人在网球场内任意位置运动时,二维坐标的误差在±20cm以内,航向角误差最大不超过2度,确保机器人的准确定位。

【技术实现步骤摘要】
一种智能捡网球机器人的定位系统、方法及装置
本专利技术涉及网球捡球机器人领域,尤其涉及一种智能捡网球机器人的定位系统、方法及装置。
技术介绍
随着网球运动的普及,越来越多的人喜欢上网球运动。网球运动中需要大量的练习,但是散落在地面上的网球的拾取却极大的影响了人们练习的热情。为了帮助网球训练者拾取散落在地面上的网球,智能捡网球机器人应运而生。智能捡网球机器人能够帮助训练人员智能的拾取地面上的网球,不需要人工参与。在智能捡网球机器人拾取网球的过程中,必须知道机器人在网球场中的位置。定位在机器人工作过程中的作用体现在以下方面:1.当机器人的网球识别模块检测到待拾取网球的位置,机器人必须知道自身在网球场中的位置,才能知道怎么运动到目标网球位置,将网球拾取。2.机器人只有知道自身在网球场中的位置,才能确定机器人是否已经到达目标位置,可以执行下一个命令。3.机器人只有知道自身在网球场中的位置,才能确定网球识别模块的识别策略,网球识别模块才能不识别重复区域,提高机器人工作效率。4.机器人只有知道自身在网球场中的位置,才能保证网球场内的所有网球都会被检测到。一个标准网球场的面积为36m*18m的矩形,识别模块一次只能检测有限面积的网球,如果机器人在网球场无法定位,就不能确定识别模块已经检测了网球场的所有位置,造成丢球、漏球的现象。5.机器人只有知道自身在网球场中的位置,才能实现机器人在工作过程中驶向任意已经提前标定位置的点。比如在工作过程中电量不足,可以直接驶向已经标定位置的充电位置。现有技术很难对机器人在网球场内任意位置运动时精确定位,工作效率不高。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题,本专利技术提出了一种智能捡网球机器人的定位系统、方法及装置。本专利技术主要利用坐标构筑单元、数据处理单元、误差校正单元,使得机器人在网球场内任意位置运动时,二维坐标的误差在±20cm以内,航向角误差最大不超过2度,保证了机器人的准确定位。本专利技术采用的技术手段如下:一种智能捡网球机器人的定位系统,包括:实时推算机器人移动过程中二维坐标和航向角的数据处理单元,校正机器人移动过程中航向角和二维坐标误差的误差校正单元,融合处理误差校正单元和数据处理单元的坐标构筑单元,所述机器人前轮为从动轮,后轮为驱动轮,所述数据处理单元包括机器人的两个从动轮上的编码器,所述误差校正单元包括均布于机器人底盘下方的三个颜色传感器。进一步地,所述智能捡网球机器人为两驱动轮的差速移动的轮式移动机器人。进一步地,所述坐标构筑单元以网球场内任意点为原点,平行于网球场的长边方向为X轴正方向,平行于网球场的短边方向为Y轴正方向,建立平面直角坐标系;所述航向角为机器人前进方向与Y轴正方向所成的角度,初始化时机器人航向角为0度,机器人位于坐标原点。进一步地,所述数据处理单元通过所述编码器的线数、轮径、采样时间内接受到的编码器脉冲数计算车体的移动距离和旋转角度,从而获得移动过程中某一点的二维坐标和航向角,所述数据处理单元通过所述编码器根据以下公式不断推算出机器人在移动过程中的二维坐标和航向角:ΔD=(N/P)*2πR;ΔL=(ΔDL+ΔDR)/2;tan(Δθ)=(ΔDR-ΔDL)/K;θB=θA+Δθ,XB=XA+sinθB*ΔL,YB=YA+cosθB*ΔL;其中,ΔD表示轮移动的距离,N表示T时间内码盘输出的脉冲,编码器为P线/转,R表示机器人的车轮半径,ΔL表示机器人在T时间内移动的距离,ΔDL表示T时间内左轮的移动距离,ΔDR表示T时间内右轮的移动距离,Δθ表示机器人在T时间内转动的角度,K表示两驱动轮之间的距离,A点为平移的启动位置,B点为终点位置,(XA,YAθA)为机器人在A点的二维坐标和航向角,(XB,YBθB)为机器人在B点的二维坐标和航向角。进一步地,所述采样时间T≤200ms。进一步地,所述误差校正单元中航向角误差校正通过颜色传感器J、K、L对网球场白线的识别,计算机器人的前进方向与长边线所形成的角度得到机器人的准确航向角,在校正航向角检测过程中,颜色传感器J或L检测到白线到颜色传感器K检测到白线过程中,机器人保持直行,根据以下公式计算机器人相对于白线的夹角:h=2*π*R*(N2-N1)/P;θ=arctan(h/d)其中,h表示在颜色传感器J或L检测到白线到颜色传感器K检测到白线过程中颜色传感器K移动的距离,N1表示颜色传感器J或L检测到白线时的左轮或右轮的编码器值,N2表示颜色传感器K检测到白线时的左轮或右轮的编码器值,d表示颜色传感器J或L与K之间的间距由编码器继续推算机器人的航向角,遇到白线则继续校正推算过程的误差。所述误差校正单元中二维坐标校正通过颜色传感器K检测机器人中心与网球场5条长边线中任意一条重合校正Y轴误差,通过颜色传感器K检测机器人中心与网球场4条短边线中任意一条重合校正X轴误差,当机器人与网球场白线接触时,判断机器人当前位置二维坐标与5条长边线Y0、Y1、Y2、Y3、Y4,4条短边线X0、X1、X2、X3坐标相近程度,得到机器人当前所处白线位置,校正X轴或Y轴误差,若当前坐标与Y0、Y1、Y2、Y3、Y4,X0、X1、X2、X3任意两条相近,则机器人当前位于两条白线交点,同时校正X坐标和Y坐标。进一步地,在室外工作时,所述颜色传感器J、K、L进行遮光处理。进一步地,所述颜色传感器J、K、L距离地面高度为10~20cm。本专利技术的另一目的是还提供了一种基于上述系统的网球机器人定位方法,包括:步骤1、构建网球场所在平面的平面直角坐标系;步骤2、获取机器人二维平面坐标和航向角,具体包括:根据编码器的线数、轮径、采样时间内接受到的编码器脉冲数计算车体的移动距离和旋转角度,从而获得两驱动轮中点在此坐标系下的二维坐标和机器人的航向角;步骤3、校正机器人航向角和二维平面坐标,具体包括:机器人接触网球场白线时,首先判断接触到的白线是否在预定的校正航向角的区域内,若在预定区域内,则计算机器人相对于白线的夹角,进而计算出机器人的准确航向角,校正航向角的误差;若不在预定区域内,则不计算相对于白线的夹角,再判断机器人当前位置二维坐标与长边线或短边线的坐标相近程度,也就是判断所遇到的白线是网球场的哪条白线,进而校正二维坐标。步骤4:在校正后的坐标上继续重复步骤2、步骤3。本专利技术还提供了一种基于上述系统的网球机器人定位装置,包括:采用STM32F103系列单片机作为定位模块的CPU,通过STM32单片机的硬件定时器接入电机编码器,I/O中断接入颜色传感器,STM32融合处理编码器信息和颜色传感器信息,得到机器人的位置信息。通过串口通信直接向机器人输入位置信息,定位模块可作为一个独立模块接入捡球机器人系统。通过上述技术方案,本专利技术利用编码器对智能捡网球机器人的二维坐标和航向角进行实时推算,并通过颜色传感器能够不断校正编码器的推算误差,保证了机器人的准确定位,解决了机器人在网球场内任意位置运动时不能精确定位的问题,提高了工作效率。基于上述理由本专利技术可在网球捡球机器人领域广泛推广。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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做以简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例,对于本领域普通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能捡网球机器人的定位系统,其特征在于,包括:实时推算机器人移动过程中二维坐标和航向角的数据处理单元,校正机器人移动过程中航向角和二维坐标误差的误差校正单元,融合处理误差校正单元和数据处理单元的坐标构筑单元,所述机器人前轮为从动轮,后轮为驱动轮,所述数据处理单元包括机器人的两个从动轮上的编码器,所述误差校正单元包括均布于机器人底盘下方的三个颜色传感器,所述颜色传感器为能检测到白色的传感器。

【技术特征摘要】
1.一种智能捡网球机器人的定位系统,其特征在于,包括:实时推算机器人移动过程中二维坐标和航向角的数据处理单元,校正机器人移动过程中航向角和二维坐标误差的误差校正单元,融合处理误差校正单元和数据处理单元的坐标构筑单元,所述机器人前轮为从动轮,后轮为驱动轮,所述数据处理单元包括机器人的两个从动轮上的编码器,所述误差校正单元包括均布于机器人底盘下方的三个颜色传感器,所述颜色传感器为能检测到白色的传感器。2.根据权利要求1所述的定位系统,其特征在于,所述智能捡网球机器人为两驱动轮的差速移动的轮式移动机器人。3.根据权利要求1所述的定位系统,其特征在于,所述坐标构筑单元以网球场内任意点为原点,平行于网球场的长边方向为X轴正方向,平行于网球场的短边方向为Y轴正方向,建立平面直角坐标系;所述航向角为机器人前进方向与Y轴正方向所成的角度,初始化时机器人航向角为0度,机器人位于坐标原点。4.根据权利要求3所述的定位系统,其特征在于,所述数据处理单元通过所述编码器根据以下公式不断推算出机器人在移动过程中的二维坐标和航向角:ΔD=(N/P)*2πR;ΔL=(ΔDL+ΔDR)/2;tan(Δθ)=(ΔDR-ΔDL)/K;θB=θA+Δθ,XB=XA+sinθB*ΔL,YB=YA+cosθB*ΔL;其中,ΔD表示轮移动的距离,N表示T时间内码盘输出的脉冲,编码器为P线/转,R表示机器人的车轮半径,ΔL表示机器人在T时间内移动的距离,ΔDL表示T时间内左轮的移动距离,ΔDR表示T时间内右轮的移动距离,Δθ表示机器人在T时间内转动的角度,K表示两驱动轮之间的距离,A点为平移的启动位置,B点为终点位置,(XA,YAθA)为机器人在A点的二维坐标和航向角,(XB,YBθB)为机器人在B点的二维坐标和航向角。5.根据权利要求4所述的定位系统,其特征在于,所述采样时间T≤200ms。6.根据权利要求4所述的定位系统,其特征在于,所述误差校正单元中航向角误差校正通过颜色传感器J、K、L对网球场白线的识别,计算机器人的前进方向与长边线所形成的角度得到机器人的准确航向角,在校正航向角检测过程中,颜色传感器J或L检测到白线到颜色传感器K检测到白线过程中,机器人保持直行,根据以下公式计算机器人相对于白线的夹角:h=2*π*R*(N2-N1)/P;θ=arctan(h/d)其中,h表示在颜色传感器J或L检测到白线到颜色传感器K检测到白线过程中颜色...

【专利技术属性】
技术研发人员:董明武
申请(专利权)人:思博赛睿北京科技有限公司
类型:发明
国别省市:北京,11

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