自主导航机器人系统技术方案

本发明专利技术提供了一种自主导航机器人系统，包括：机器人主体，所述机器人主体包括四轮独立悬挂底盘，所述四轮独立悬挂底盘设置有两个驱动前轮以及两个万向后轮；传感器单元，用于感测所述机器人主体的姿态和环境信息；以及控制单元，用于根据来自所述传感器单元的信息，构建地图并在地图中定位、路径规划，并以双轮差速驱动方式控制两个驱动前轮进行避障和移动。

【技术实现步骤摘要】
自主导航机器人系统
本专利技术涉及一种自主导航机器人系统，特别是涉及一种在室内外复杂环境中自主导航的机器人系统。
技术介绍
无人车的时代已经到来，但其硬件的高成本和安全性的不完全保证使它仍然不能被广泛使用，而自主导航技术的商业化应用也更多停留在固定的室内环境下。然而，虽然面临诸多问题，自主导航功能却是未来智能机器人的根本。机器人自主导航系统的研发将拥有广阔的市场空间。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种可自主导航的机器人系统，机器人在移动过程中，通过传感器感知自身状态和环境信息，构建地图并确定自己在地图中的位置，在障碍物众多且不断变化的情况下进行定位、路径规划、避障和移动。由于室外环境下光照、阴影、路面、障碍物类型等较于室内都更加复杂，本专利技术的设计方案在满足室外苛刻的环境要求时，也能够在室内运行。根据本专利技术的一方面，提供了一种自主导航机器人系统，包括：机器人主体，所述机器人主体包括四轮独立悬挂底盘，所述四轮独立悬挂底盘设置有两个驱动前轮以及两个万向后轮；传感器单元，用于感测所述机器人主体的姿态和环境信息；以及控制单元，用于根据来自所述传感器单元的信息，构建地图并在地图中定位、路径规划，并以双轮差速驱动方式控制两个驱动前轮进行避障和移动。在实施例中，所述机器人主体还包括：两个光电编码器，分别设置在所述两个驱动前轮的电机上，用于获取机器人的里程信息；两个电机及其驱动器，设置在所述两个驱动前轮之间，用于驱动所述驱动前轮转动；以及减速箱，设置在所述电机上，用于将所述电机的转速减少到目标速度。在实施例中，所述传感器单元包括：双目相机，设置在所述机器人主体上方，用于采集所述机器人系统所处环境的图像数据；惯性测量单元，设置在所述机器人主体的旋转中心处，用于测量所述机器人主体的姿态；以及激光雷达，设置在所述机器人主体的最顶端，用于探测障碍物，以辅助所述控制单元控制所述机器人主体躲避障碍。在实施例中，所述控制单元包括：中央处理器和图形处理器，用于处理所述传感器单元获取到的信息，结合所述信息对机器人运动轨迹进行决策，并向下位机发送速度控制命令，以控制所述两个驱动前轮行进，并且基于所述双目相机采集到的图像数据，运行即时定位与地图构建算法，以构建地图；以及下位机，用于向所述中央处理器和图形处理器传输由所述光电编码器记录的数值并且向电机驱动器发送速度命令。在实施例中，所述中央处理器和图形处理器运行即时定位与地图构建算法，对所述双目相机采集的每一张图像，提取特征点，将含有特征点信息的图像以及里程信息保存到数据库，并根据里程信息生成由图像构成的3D点云地图，以及将3D地图转换成2D地图。在实施例中，所述中央处理器和图形处理器还运行扩展卡尔曼滤波算法，以针对所述光电编码器和所述惯性测量单元进行数据融合，得到更准确的里程数据。在实施例中，所述中央处理器和图形处理器通过ROS地图服务器，读取并且使用所述2D地图，利用读取到的地图信息，计算代价地图；根据所述机器人主体的起始位置和给定的目标位置，利用A*算法求出最短路径以作为导航的全局路径；以及使用滑动窗口算法来选择局部最优路径，在得出局部最优路径后，将该路径的速度信息作为控制信息发给所述下位机，以控制所述机器人主体完成相应的动作。在实施例中，所述滑动窗口算法根据当前速度、加速度以及想要预测的时间来对所述机器人主体将要行驶的路径进行打分，在打分时除了以全局路径作为局部规划的打分依据，还根据所述代价地图得出是否碰到障碍物、是否行驶到位置区域的信息，用于判断路径是否合理，以从所有路径中选择最优路径。在实施例中，当所述激光雷达探测到障碍物后，通过ROS系统的话题机制将所述障碍物映射到地图中，以使得所述代价地图根据新添加的障碍物进行更新，并且在进行局部规划打分时在有新障碍物的基础上选择最优路径，以最优地躲开障碍物。在实施例中，所述中央处理器和图形处理器还运行即时定位与地图构建算法，以根据所述双目相机采集到的图像，找到该图像是否在地图数据库中，以及在地图数据库中的位置，从而确定机器人在实际地图中的位置。本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及说明书附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例共同用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1示出根据本专利技术实施例的自主导航机器人系统的方框图；图2示出根据本专利技术实施例的自主导航机器人系统的远程控制架构示意图；图3示出根据本专利技术实施例的自主导航机器人系统的机器人主体的结构示意图；图4示出根据本专利技术实施例的自主导航机器人系统的控制单元的功能流程图；图5示出根据本专利技术实施例的自主导航机器人系统的控制单元的另一功能流程图；图6示出根据本专利技术实施例的自主导航机器人系统的控制单元构建地图的流程图；以及图7示出示出根据本专利技术实施例的自主导航机器人系统的控制单元进行导航的流程图。具体实施方式以下将结合附图及实施例来详细说明本专利技术的实施方式，借此对本专利技术如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本专利技术中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本专利技术的保护范围之内。同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本专利技术实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本专利技术可以不必用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。图1示出根据本专利技术实施例的自主导航机器人系统的方框图。如图1所示，本专利技术的自主导航机器人系统包括：机器人主体，所述机器人主体包括四轮独立悬挂底盘，所述四轮独立悬挂底盘设置有两个驱动前轮以及两个万向后轮；传感器单元，用于感测所述机器人主体的姿态和环境信息；以及控制单元，用于根据来自所述传感器单元的信息，构建地图并在地图中定位、路径规划，并以双轮差速驱动方式控制两个驱动前轮进行避障和移动。图2示出根据本专利技术实施例的自主导航机器人系统的远程控制架构示意图。如图2所示，通过云服务器将机器人系统与其他计算机互联，从而进行远程通信，实现远程控制的功能。图3示出根据本专利技术实施例的自主导航机器人系统的机器人主体的结构示意图。如图3所示，采用四轮独立悬挂底盘，缓冲由不平路面传给底盘或机器人的冲击力，并衰减由此引起的震动，避免轮子悬空，保证码盘对轮子转动角度记录的有效性。驱动方式为双轮差速驱动，前两轮驱动。后轮使用万向轮。底盘四轮的独立悬挂，应用特质铰链加上减震器构成，前后轮均为橡胶充气轮，较刚性轮有较好的柔性，结合悬挂之后可轻松越过街道上常见的6-8CM高的减速带。底盘依靠铝制管材切割，焊接，搭建而成，成本较低，而且框架结构也使车体更轻，可随意安置电路元器件，改动更加容易。机器人主体的整车参数如下表所示。长宽高(mm)700*890*690轮半径(mm)75整备质量(kg)45最大速度(km/h)10加速度(km/s^2)10空载时连续工作时间：(h)>8在实施例中，机器人主体还包括：两个光电编码器，分别设置在所述两个驱动前轮的电机上，用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自主导航机器人系统，包括：机器人主体，所述机器人主体包括四轮独立悬挂底盘，所述四轮独立悬挂底盘设置有两个驱动前轮以及两个万向后轮；传感器单元，用于感测所述机器人主体的姿态和环境信息；以及控制单元，用于根据来自所述传感器单元的信息，构建地图并在地图中定位、路径规划，并以双轮差速驱动方式控制两个驱动前轮进行避障和移动。

【技术特征摘要】
1.一种自主导航机器人系统，包括：机器人主体，所述机器人主体包括四轮独立悬挂底盘，所述四轮独立悬挂底盘设置有两个驱动前轮以及两个万向后轮；传感器单元，用于感测所述机器人主体的姿态和环境信息；以及控制单元，用于根据来自所述传感器单元的信息，构建地图并在地图中定位、路径规划，并以双轮差速驱动方式控制两个驱动前轮进行避障和移动。2.根据权利要求1所述的自主导航机器人系统，其中，所述机器人主体还包括：两个光电编码器，分别设置在所述两个驱动前轮的电机上，用于获取机器人的里程信息；两个电机及其驱动器，设置在所述两个驱动前轮之间，用于驱动所述驱动前轮转动；以及减速箱，设置在所述电机上，用于将所述电机的转速减少到目标速度。3.根据权利要求2所述的自主导航机器人系统，其中，所述传感器单元包括：双目相机，设置在所述机器人主体上方，用于采集所述机器人系统所处环境的图像数据；惯性测量单元，设置在所述机器人主体的旋转中心处，用于测量所述机器人主体的姿态；以及激光雷达，设置在所述机器人主体的最顶端，用于探测障碍物，以辅助所述控制单元控制所述机器人主体躲避障碍。4.根据权利要求3所述的自主导航机器人系统，其中，所述控制单元包括：中央处理器和图形处理器，用于处理所述传感器单元获取到的信息，结合所述信息对机器人运动轨迹进行决策，并向下位机发送速度控制命令，以控制所述两个驱动前轮行进，并且基于所述双目相机采集到的图像数据，运行即时定位与地图构建算法，以构建地图；以及下位机，用于向所述中央处理器和图形处理器传输由所述光电编码器记录的数值并且向电机驱动器发送速度命令。5.根据权利要求4所述的自主导航机器人系统，其中，所述中央处理器和图形处理器运行即时定位与地图构建算法，对所述双目相机采集的每一张图像，提取特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李培，柳晓峰，高华，王诗蕊，蒋超，邝坚，
申请(专利权)人：李培，高华，柳晓峰，蒋超，王诗蕊，邝坚，
类型：发明
国别省市：北京,11