基于示教的多传感器的移动机器人定位导航系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于示教的多传感器的移动机器人定位导航系统及方法，包括上层导航模块、下层运动控制模块、手柄、计算机；所述的手柄提供小车运动控制的使能作用；所述的计算机用于监控和调试机器人；所述下层运动控制模块用于实现小车平台的运动控制、显示小车状态信息以及编码器数据的读取与发送，所述上层导航模块用于采集点云数据与速度数据，本发明专利技术构成合理、简洁，方法便捷，运用本发明专利技术可以快速地进行室内AGV的导航，非专业人员易上手、操作简单、使用方便。其系统的方法计算效率高，而且可以自主学习和遍历任意形状的路径，同时还能根据三维激光数据和由里程计信息提供的位置信息对路速度大小和方向进行修正。

Positioning and Navigation System and Method of Multi-Sensor Mobile Robot Based on Teaching

【技术实现步骤摘要】
基于示教的多传感器的移动机器人定位导航系统及方法
本专利技术属于工业自动化领域，特别涉及一种基于示教的多传感器的移动机器人定位导航系统及方法。
技术介绍
随着人力成本的提高和科学技术的发展，机器人(尤其是工业机器人)在工业自动化领域越来越广泛的应用。自动导航搬运车(AutomatedGuidedVehicle以下简称AGV)也被称作搬运机器人，是现代智能物流系统中的重要环节，然而目前主流的AGV导引技术并不能使其在工作中从真正意义上实现完全自主。导航作为核心技术之一，是AGV技术发展的最重要标志。传统导航方式以电磁导航和磁带导航为代表，使用物理路径，环境表示简单，无需自动地图创建技术，定位时只需要通过传感器检测车体与物理路径之间的偏差。随着科技的进步，激光传感器、图像传感器逐步应用到AGV导航技术中。由于具有定位精度高，无需对地面进行改造，路径柔性高的优点，基于激光雷达的AGV导航技术即激光导航受到广泛研究并得到成功应用。与传统导航方式相比，激光导航涉及面多，技术复杂。首先，激光导航不存在物理路径，因此无法像传统导航方式那样直接检测车体与物理路径之间的偏差。因此在激光导航中，AGV通过激光雷达实时采集环境数据，通过将环境数据的处理结果与事先建立的环境地图进行对比获得自身在地图中的位姿估计，这种位姿估计即定位比传统导航方式中的直接偏差计算要复杂。其次，激光导航中使用的地图具有明显的测度信息，需要进行精确绘制，所创建的环境地图精度影响AGV定位精度。在未知环境中，由于环境感知传感器的探测范围和测量精度限制、环境中墙壁等物体对传感器探测的遮挡等问题，机器人无法通过一次测量创建全局环境地图。因此，机器人只能在不断地环境探索过程中获取足够的环境感知数据，才能完成全局环境地图的创建工作。对于机器人在环境中各个位置创建的局部地图而言，只有确切地知道机器人各位置的位姿才能将该局部地图转换为全局地图，即地图的创建依赖于机器人的位姿。然而现实情况是，机器人的位姿往往是通过环境地图得到的，即机器人的位姿依赖于环境地图。位姿和地图估计之间的这种相互依赖的关系给机器人在未知环境下的导航提出了新的课题，称之为“同时定位与地图构建”(SimultaneousLocalizationandMapping以下简称SLAM)问题。因此SLAM的最终目的是创建一致的环境地图，是否能够实现正确闭环是方法自身性能的一种体现；而基于闭环消除定位误差的地图创建方法，在通过航迹推测所估计的位姿误差较大的情况下，只能通过辅助方法建立约束条件，即在建立正确闭环的前提下，再通过优化方法校正机器人位姿和创建环境地图。因此slam系统这样的实现需要构建全局一致的地图因此带来更高的计算成本。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提出了一种基于基于示教的多传感器的移动机器人定位导航系统及方法。本专利技术所采用的技术方案为：一种基于基于示教的多传感器的移动机器人定位导航系统包括：上层导航模块、下层运动控制模块、手柄以及计算机；所述手柄与下层运动控制模块连接，所述下层运动控制模块与上层导航模块连接，所述上层导航模块与计算机连接；所述上层导航模块包括路由器、里程计、三维激光、车载电池以及升压模块；所述下层运动控制模块包括：工控机、TTL转USB模块、路由器、自动导航搬运车AGV、光电编码器、直流减速电机及驱动器、嵌入式开发板以及供电电源；所述供电电源与自动导航搬运车AGV连接，所述光电编码器与直流减速电机及驱动器放置在方向轮小车中、所述光电编码器与里程计连接，所述直流减速电机及驱动器与嵌入式开发板连接，所述嵌入式开发板与TTL转USB模块连接，所述TTL转USB模块与工控机连接；所述手柄与工控机连接；所述车载电池分别与三维激光、里程计、路由器以及升压模块连接，所述升压模块还与工控机连接，所述三维激光还与路由器连接，所述里程计还与路由器连接，所述路由器分别与工控机、计算机连接；所述的手柄提供小车运动控制的使能作用；所述的计算机用于监控和调试机器人；所述的TTL转USB模块用于实现嵌入式开发板与工控机的通信；所述的升压模块用于实现将车载电池的电压转化为工控机的标准电压；所述的供电电源为自动导航搬运车AGV提供电能；所述的工控机通过路由器与三维激光进行通讯，获取三维激光所生成的三维点云并计算机器人的位姿；所述的光电编码器用于计算自动导航搬运车AGV轮子转过的圈数；所述的直流减速电机及驱动器为自动导航搬运车AGV的动力驱动装置；所述的嵌入式开发版为自动导航搬运车AGV的底层运动控制模块；所述里程计根据光电编码器的数据推算机器人的里程信息；一种基于示教的多传感器的移动机器人定位导航方法，采用前述的一种基于示教的多传感器的移动机器人定位导航系统实现，包括以下步骤：步骤1、在教学阶段，通过手柄控制将速度指令发送给工控机，工控机将指令发送给TTL转USB模块，TTL转USB模块再将运动指令发送给嵌入式开发板STM32，嵌入式开发板STM32将接收到的指令发送给直流减速机及驱动器以控制机器人运动；在机器人运动的过程中，光电编码器采集速度信息给里程计、三维激光采集点云数据信息，里程计与三维激光将采集的信息通过路由器发送给工控机与计算机、同时也会记录点云数据；教学完成后，停止录制，点云数据会记录在数据库中；步骤2、在重复阶段，通过手柄按钮将教学过程中的命令再次回放；步骤3、自动导航搬运车读取机器人当前获得的点云，并将其与教学阶段保存的点云进行比较，并计算从读取的三维点云到记录的三维点云的变换，从而计算出机器人的位姿；将机器人的位姿求解问题转换为数学问题，q＝[qR|qT]T其中Np为点数，xi和pi为匹配的点对，四元数是旋转的得一种表达形式，此处旋转向量qR用四元数表达，qτ是平移向量，qR和qτ共同组成完全坐标变换向量q，R(qR)是旋转向量qR对应的旋转矩阵，f(q)为求解一个q使得匹配得xi与pi之间得距离最小函数。步骤3.1根据当前机器人获得的点云数据目标点集P中的点坐标，在教学阶段存储的点云点集曲面S上搜索相应最近点点集形成参考集X；步骤3.2计算目标点集P和参考点集X的重心：其中μp、μx分别为点集P和X的重心，Np和Nx分别为点集P和X的点数；步骤3.3由点集P和X构造协方差矩阵步骤3.4由协方差矩阵构造4×4对称矩阵：其中，I3是3x3单位矩阵，tr(∑P，X)是矩阵∑P，X的迹，矩阵A＝∑P，X+∑P，XT，Aij表示矩阵A的第i行、第j列的元素；步骤3.5计算Q(∑P，X)的特征值和特征向量，其最大特征值对应的特征向量[q0q1q2q3]T即为最佳旋转向量其中q0、q1、q2、q3为四元数；步骤3.6计算最佳平移向量其中步骤3.7得到求得最小均方误差dmin＝f(q)；步骤4、将计算得到的完全坐标变换向量转换为机器人的位姿发送到嵌入式开发板STM32中，使用位置PID算法补偿机器人当前位姿与教学阶段存储的对应位姿的误差，完成移动机器人的导航与定位；本专利技术的有益技术效果：本专利技术系统理论结合实际，构成合理、简洁，方法便捷，运用本专利技术可以快速地进行室内AGV的导航，非专业人员易上手、操作简单、使用方便。该方法计算效率高，无需照相机标定，而且可以自主学习和遍历任意形状本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于示教的多传感器的移动机器人定位导航系统，其特征在于，包括上层导航模块、下层运动控制模块、手柄以及计算机；所述手柄与下层运动控制模块连接，所述下层运动控制模块与上层导航模块连接，所述上层导航模块与计算机连接；所述上层导航模块包括路由器、里程计、三维激光、车载电池以及升压模块；所述车载电池分别与三维激光、里程计、路由器以及升压模块连接，所述升压模块还与工控机连接，所述三维激光还与路由器连接，所述里程计还与路由器连接，所述路由器分别与工控机、计算机连接；所述下层运动控制模块包括：工控机、TTL转USB模块、路由器、自动导航搬运车AGV、光电编码器、直流减速电机及驱动器、嵌入式开发板以及供电电源；所述供电电源与自动导航搬运车AGV连接，所述光电编码器与直流减速电机及驱动器放置在方向轮小车中、所述光电编码器与里程计连接，所述直流减速电机及驱动器与嵌入式开发板连接，所述嵌入式开发板与TTL转USB模块连接，所述TTL转USB模块与工控机连接；所述手柄与工控机连接；所述车载电池分别与三维激光、里程计、路由器以及升压模块连接，所述升压模块还与工控机连接，所述三维激光还与路由器连接，所述里程计还与路由器连接，所述路由器分别与工控机、计算机连接；所述的手柄提供小车运动控制的使能作用；所述的计算机用于监控和调试机器人；所述的TTL转USB模块用于实现嵌入式开发板与工控机的通信；所述的升压模块用于实现将车载电池的电压转化为工控机的标准电压；所述的供电电源为自动导航搬运车AGV提供电能；所述的工控机通过路由器与三维激光进行通讯，获取三维激光所生成的三维点云并计算机器人的位姿；所述的光电编码器用于计算自动导航搬运车AGV轮子转过的圈数；所述的直流减速电机及驱动器为自动导航搬运车AGV的动力驱动装置；所述的嵌入式开发版为自动导航搬运车AGV的底层运动控制模块；所述里程计根据光电编码器的数据推算机器人的里程信息。...

【技术特征摘要】
1.一种基于示教的多传感器的移动机器人定位导航系统，其特征在于，包括上层导航模块、下层运动控制模块、手柄以及计算机；所述手柄与下层运动控制模块连接，所述下层运动控制模块与上层导航模块连接，所述上层导航模块与计算机连接；所述上层导航模块包括路由器、里程计、三维激光、车载电池以及升压模块；所述车载电池分别与三维激光、里程计、路由器以及升压模块连接，所述升压模块还与工控机连接，所述三维激光还与路由器连接，所述里程计还与路由器连接，所述路由器分别与工控机、计算机连接；所述下层运动控制模块包括：工控机、TTL转USB模块、路由器、自动导航搬运车AGV、光电编码器、直流减速电机及驱动器、嵌入式开发板以及供电电源；所述供电电源与自动导航搬运车AGV连接，所述光电编码器与直流减速电机及驱动器放置在方向轮小车中、所述光电编码器与里程计连接，所述直流减速电机及驱动器与嵌入式开发板连接，所述嵌入式开发板与TTL转USB模块连接，所述TTL转USB模块与工控机连接；所述手柄与工控机连接；所述车载电池分别与三维激光、里程计、路由器以及升压模块连接，所述升压模块还与工控机连接，所述三维激光还与路由器连接，所述里程计还与路由器连接，所述路由器分别与工控机、计算机连接；所述的手柄提供小车运动控制的使能作用；所述的计算机用于监控和调试机器人；所述的TTL转USB模块用于实现嵌入式开发板与工控机的通信；所述的升压模块用于实现将车载电池的电压转化为工控机的标准电压；所述的供电电源为自动导航搬运车AGV提供电能；所述的工控机通过路由器与三维激光进行通讯，获取三维激光所生成的三维点云并计算机器人的位姿；所述的光电编码器用于计算自动导航搬运车AGV轮子转过的圈数；所述的直流减速电机及驱动器为自动导航搬运车AGV的动力驱动装置；所述的嵌入式开发版为自动导航搬运车AGV的底层运动控制模块；所述里程计根据光电编码器的数据推算机器人的里程信息。2.一种基于示教的多传感器的移动机器人定位导航方法，采用权利要求1所述的一种基于示教的多传感器的移动机器人定位导航系统实现，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在教学阶段，通过手柄控制将速度指令发送给工控机，工控机将指令发送给TT...

【专利技术属性】
技术研发人员：方正，王鹏，周思帆，郭金迪，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21