一种基于激光栅格的定位方法以及机器人自主充电方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光栅格的定位方法以及机器人自主充电方法，属于智能机器人技术领域。本发明专利技术包括在房间正前方以及两侧墙面的指定高度上建立栅格平面；标记激光栅格，即统计每个栅格接受的激光数量，对所述栅格接受的激光数量不小于阈值的栅格进行标记；提取激光栅格的几何特征，即在栅格平面的左右两侧，分别提取出水平方向和竖直方向垂直的连续的已标记的栅格的序列；获取关键点，所述关键点为位于步骤3中所提取的栅格的序列中拐点；根据关键点与机器人间的相对位置确定机器人的坐标。采用本发明专利技术的方法，不论充电房墙壁是否平整，都可以具有很高的导航定位精度。

A Location Method Based on Laser Grid and Autonomous Charging Method of Robot

The invention discloses a positioning method based on laser grids and an autonomous charging method for robots, belonging to the technical field of intelligent robots. The invention includes establishing a grid plane in front of the room and at the specified height of the walls on both sides; marking a laser grid, i.e. counting the number of lasers received by each grid, marking a grid whose number of lasers received by the grid is not less than the threshold value; extracting the geometric characteristics of the laser grid, i.e., extracting the horizontal and vertical vertical vertical vertical vertical directions on the left and right sides of the grid plane, respectively. A straight and continuous sequence of marked grids; a key point is obtained, which is the inflection point in the sequence of the grids extracted in step 3; and the coordinates of the robot are determined according to the relative positions between the key points and the robot. By adopting the method of the invention, whether the wall of the charging room is flat or not, the navigation and positioning accuracy can be very high.

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光栅格的定位方法以及机器人自主充电方法
本专利技术属于智能机器人
，具体涉及一种基于激光栅格的定位方法以及机器人自主充电方法。
技术介绍
目前，变电站巡检机器人的自主充电多采用接触式自主充电技术。当巡检机器人需要充电时，会自动驶向指定充电区，机器人充电连接触点与充电基座的供电触点自动准确对接并实施充电。充电完成后巡检机器人自动与巡检机器人脱离并驶向工作区或待命区。如何实现巡检机器人的定位导航是机器人实现自主充电的关键。目前常用的方案是基于磁轨道引导的导航定位方法。该方法实施的前提是铺设轨道，不仅带来了大量的基础设施建造工作，而且存在机器人行走路线不灵活的缺陷。鉴于此，激光导航定位技术被越来越多的应用到巡检机器人的导航定位作业过程中。激光导航定位技术摆脱了轨道限制，在节省成本的同时，机器人能够灵活地调整行走线路。中国专利CN201610324865公开了一种基于激光导航的变电站巡检机器人自主充电方法，先对激光数据进行直线拟合，然后选取四条符合要求的直线对激光数据进行分割，最后利用这四条直线获取两个墙角对应拐点，对机器人进行定位。中国专利CN2016112609096公开了一种巡检机器人定位方法及自动充电方法，首先通过快速高效的二次点集分割算法对连续的激光数据集进行分割，获取鲁棒性较高的三个边缘特征，然后对充电房模型进行重构，利用重构充电房模型对应的关键点对机器人进行定位。在保证定位准确性的同时，不直接依赖于充电房墙角拐点，对充电房建造工艺依赖较低。上述两种方法均存在以下问题：如果充电房左右墙壁不平整，则会导致拟合直线出现偏差，影响充电房墙角拐点位置的准确性，使机器人的导航定位精度不理想，从而出现机器人充电连接触点与充电基座的供电触点对接失败的现象。采用上述两种方法进行机器人的导航定位及自主充电时，对充电房墙壁的平整性要求较高，机器人对环境的适应能力较差。
技术实现思路
本专利技术目的是：针对现有技术的不足，提供一种基于激光栅格的定位方法以及基于该定位方法的机器人自主充电方法。该方法适用于无轨式导航定位中的机器人自主充电，实现整个充电过程的自动化、智能化；不论充电房墙壁是否平整，都可以具有很高的导航定位精度。本专利技术提供的基于激光栅格的定位方法包括以下步骤：建立栅格平面的步骤：在房间正前方以及两侧墙面的指定高度上建立栅格平面；标记激光栅格的步骤：统计每个栅格接受的激光数量，对所述栅格接受的激光数量不小于阈值的栅格进行标记；提取激光栅格的几何特征的步骤：在栅格平面的左右两侧，分别提取出水平方向和竖直方向垂直的连续的已标记的栅格的序列；获取关键点的步骤：获取在提取激光栅格的几何特征的步骤中所提取的栅格的序列中拐点的栅格，所述所提取的栅格的序列中拐点即为关键点；确定机器人的坐标的步骤：根据关键点与机器人间的相对位置确定机器人的坐标。进一步而言，所述阈值的计算公式如下：其中，a为激光栅格的边长，θ为激光设备的发射角度，π为圆周率，r为激光设备到墙角的距离，N为激光设备投射出的一个激光帧中激光的总条数。进一步而言，所述提取激光栅格的几何特征的步骤之前还包括计算置信度的步骤，所述计算置信度的步骤包括以下过程：步骤A-1：在建立栅格平面的步骤之后、标记激光栅格的步骤之前调整激光投射角度；步骤A-2：在标记激光栅格的步骤之后计算已标记栅格的置信度；当置信度满足置信度要求时，转入标记激光栅格的步骤；不满足要求时返回步骤A-1。进一步而言，所述计算已标记栅格的置信度的公式为：其中，ρ为置信度，N′为进行了标记的栅格的数量，M为标记激光栅格的步骤中建立的栅格平面中所有栅格总数。进一步而言，所述置信度要求为95％≥ρ≥60％。进一步而言，还包括校验特征激光栅格的步骤，即：对从提取激光栅格的几何特征的步骤中提取的两个栅格的序列中位于水平方向的各个特征栅格，判断其是否处于同一水平线上；如果处于同一水平线上，则将这些特征栅格作为标准特征栅格；如果不处于同一水平线上，则等待下一帧激光数据重新提取激光栅格的几何特征。进一步而言，判断所述各个特征栅格是否处于同一水平线上的标准为两个栅格的序列中水平方向的栅格是否都处于3行之内。进一步而言，所述关键点为两个标准特征栅格的拐点。进一步而言，所述机器人的坐标为机器人在全局坐标系中的坐标，为(-au-xmcosθ+ymsinθ，av-xmsinθ-ymcosθ)，其中，a为栅格边长，u为第一关键点到全局坐标系Y轴的距离所包含的栅格数量，v为第一关键点到全局坐标系X轴的距离所包含的栅格数量，xm为第一关键点在机器人坐标系中的X轴坐标，ym为第一关键点在机器人坐标系中的Y轴坐标；θ为机器人的偏转角度，即坐标系Y轴相对于全局坐标系中Y轴的偏转角度。另一方面，本专利技术还提供一种基于激光栅格进行机器人自主充电的方法，包括以下步骤：1)利用所述的基于激光栅格的定位方法，得到机器人的坐标和偏转角度；2)机器人调整自己的偏转角度到0°；3)机器人上位机发送指令给机器人，计算机器人自己到充电桩的距离并移动到预定充电位置，开始充电。本专利技术的有益效果如下：本专利技术的基于激光栅格的定位方法以及机器人自主充电方法，采用基于激光栅格几何和数量特征的导航定位方法，在充电房正前方墙面、左边墙面和右面墙面分别建立栅格，激光投射到栅格上以后，通过识别激光栅格的几何特征，寻找充电房两个墙角关键点的位置信息，利用两个关键点实现机器人的准确定位，并引入置信度的概念，提高了机器人的定位精度，对充电房墙壁的平整性要求较低。经测试，机器人的定位精度大大提高，误差在±0.1cm范围内，且在墙壁不平整的情况下，机器人依然能完成与充电桩的准确定位。附图说明图1是本专利技术实施例的定位算法流程图。图2是本专利技术实施例的激光栅格原理图。图3是本专利技术实施例的特征激光栅格示意图。图4是本专利技术实施例的机器人定位原理图。图5是本专利技术实施例的机器人自主充电流程图。图中的标号：1-充电房模型，2-机器人，3-激光，4-充电房右角落，5-充电房左角落。具体实施方式下面结合实施例并参照附图对本专利技术作进一步详细描述。实施例1：本专利技术的一个实施例，介绍了一种基于激光栅格定位的变电站巡检机器人自主充电方法。与本实施例相关的技术术语的定义如下：栅格：大小均匀紧密相邻的网格阵列。激光栅格：有激光照射的栅格。灰色栅格：满足置信度要求的激光栅格。栅格平面：在充电房正前方墙面、左边墙面和右面墙面的某个相同高度上建立栅格，形成的一个栅格平面。连续栅格：紧密相连的栅格。特征栅格：组成L形灰色栅格序列的栅格。标准特征栅格：位于特征栅格序列的直角上的特征栅格，且在栅格平面上处于水平方向的同一条直线上。标准特征栅格的拐点：位于标准特征栅格的直角上的点，参见图4。关键点：充电房内正前方墙面上位于栅格平面的两个墙角，在算法中用标准特征栅格的拐点来表示。关键点坐标：关键点在充电房模型对应的全局坐标系中的坐标。参见图1，机器人自主充电方案的具体描述如下：前提：现场工作人员已将充电桩在充电房中的位置录入机器人的工控机中。当机器人需要补充电力时，通过定位导航技术自动驶向充电房，机器人上位机发送指令给充电房的电气柜，电气柜收到指令后将充电房门打开，机器人倒退着进入充电房中。机器人内部有电量检测模块，当总电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光栅格的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：建立栅格平面的步骤：在房间正前方以及两侧墙面的指定高度上建立栅格平面；标记激光栅格的步骤：统计每个栅格接受的激光数量，对所述栅格接受的激光数量不小于阈值的栅格进行标记；提取激光栅格的几何特征的步骤：在栅格平面的左右两侧，分别提取出水平方向和竖直方向垂直的连续的已标记的栅格的序列；获取关键点的步骤：获取在提取激光栅格的几何特征的步骤中所提取的栅格的序列中拐点的栅格，所述所提取的栅格的序列中拐点即为关键点；确定机器人的坐标的步骤：根据关键点与机器人间的相对位置确定机器人的坐标。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光栅格的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：建立栅格平面的步骤：在房间正前方以及两侧墙面的指定高度上建立栅格平面；标记激光栅格的步骤：统计每个栅格接受的激光数量，对所述栅格接受的激光数量不小于阈值的栅格进行标记；提取激光栅格的几何特征的步骤：在栅格平面的左右两侧，分别提取出水平方向和竖直方向垂直的连续的已标记的栅格的序列；获取关键点的步骤：获取在提取激光栅格的几何特征的步骤中所提取的栅格的序列中拐点的栅格，所述所提取的栅格的序列中拐点即为关键点；确定机器人的坐标的步骤：根据关键点与机器人间的相对位置确定机器人的坐标。2.根据权利要求1所述的基于激光栅格的定位方法，其特征在于，所述阈值的计算公式如下：其中，a为激光栅格的边长，θ为激光设备的发射角度，π为圆周率，r为激光设备到墙角的距离，N为激光设备投射出的一个激光帧中激光的总条数。3.根据权利要求1所述的基于激光栅格的定位方法，其特征在于，所述提取激光栅格的几何特征的步骤之前还包括计算置信度的步骤，所述计算置信度的步骤包括以下过程：步骤A-1：在建立栅格平面的步骤之后、标记激光栅格的步骤之前调整激光投射角度；步骤A-2：在标记激光栅格的步骤之后计算已标记栅格的置信度；当置信度满足置信度要求时，转入标记激光栅格的步骤；不满足要求时返回步骤A-1。4.根据权利要求3所述的基于激光栅格的定位方法，其特征在于，所述计算已标记栅格的置信度的公式为：其中，ρ为置信度，N′为进行了标记的栅格的数量，M为标记激光栅格的步骤中建立的栅格平面中所有栅格总数。5.根据权利要求4所述的基于激光栅格的定位方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：林欢，孙建亚，王锋，毛成林，项导，
申请(专利权)人：亿嘉和科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32