畜禽舍巡检机器人自动路径规划与定位方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及巡检机器人技术领域，公开了一种畜禽舍巡检机器人自动路径规划与定位方法及装置，其自动路径规划与定位方法包括：获取畜禽舍当前的环境信息，构建全局地图，在全局地图上规划巡检机器人行走的全局路径；基于巡检机器人行走时的三轴姿态角与加速度信息及行走里程信息，估算并更新巡检机器人实时的行走位姿，控制巡检机器人沿着全局路径行走；本发明专利技术在畜禽舍的行走路径与路况不明确的情况下，可快速并精确地对巡检机器人实施导航与定位，其成本低廉，便于维护，有力地弥补了传统的GPS导航及其它需要提前规划路径与铺设辅助设备的导航方式所存在的缺陷，适应于巡检机器人在畜禽舍养殖环境内的导航行走。

【技术实现步骤摘要】
畜禽舍巡检机器人自动路径规划与定位方法及装置
本专利技术涉及巡检机器人
，特别是涉及一种畜禽舍巡检机器人自动路径规划与定位方法及装置。
技术介绍
近年来，随着畜禽业的快速发展与普及，养殖企业基本实现了畜禽饲养的标准化、规范化及养殖设施的自动化、机械化。在畜禽养殖中，畜禽舍存在多种结构形式，例如：对于蛋鸡饲养而言，鸡舍分为阶梯式鸡舍或H型鸡舍，这些鸡舍具备多列、多层鸡笼，鸡笼的笼长相对较长，笼层多为3层以上。对于这些复杂结构的畜禽舍，更需要配置智能化、精准化、高效化的巡检机器人，以此来用于畜禽饲养中的自动化巡检。畜禽舍巡检机器人是负责完成空间移动作业的机械设备，并用于在封闭或者半封闭的畜禽舍内进行巡检作业。对于如何实现在复杂的畜禽舍环境中进行巡检，对畜禽舍巡检机器人的路径规划和定位是解决该问题的关键。下面对机器人自动行走控制领域常见的导航与定位技术进行简要介绍，具体如下所示：(1)GPS导航与定位，由于GPS定位器在禽舍内会出现信号弱，甚至是无信号的状况，从而畜禽舍巡检机器人无法依赖GPS实现室内定位。(2)传统的磁导航定位，它是通过在畜畜禽舍地面铺设磁条，并在运动过程中通过测量路径上的磁场信号来获取车辆自身相对于目标跟踪路径之间的位置偏差，从而实现车辆的控制及导航，是一种相对可靠的导航技术。但是，磁导航方式在用于畜禽舍巡检机器人的巡检作业时，需要人为铺设大量电磁轨道，不但施工复杂、周期长、维护成本高，在以后的设施升级与改造中，还需要重新铺设电磁轨道，这在操作上施工复杂，延长了升级周期，从而降低了对畜禽的生产效率。(3)类似于GPS定位原理，针对局部空间或室内空间定位的UWB技术、WIFI定位技术、超声定位技术、蓝牙室内定位技术相对比较成熟。这些技术通过多个发射器或者多个接收器之间传递信号，测量时间差、信号强度或脉冲相位等随距离变化的信息，进而通过计算得到的距离信息，并最终确定机器人在空间中的位置。然而，无论是室内UWB定位、超声定位、WIFI定位、蓝牙定位，还是上述所示的磁导航定位，对环境的依赖都非常高，且都需要配置辅助设备或标签，且运动路径往往是提前规划的，只能在环境相对可靠、稳定，并有特定作业规则和秩序的场合使用，受限制较多，从而难以适用于畜禽舍巡检机器人在未知路径且崎岖不平的路况下行走，并进行巡检。(4)在定位过程中还用惯性推算定位和航迹推算定位方法，它们不依赖外部设备、标签定位，利用自身携带的电机编码器或惯性测量单元(IMU，InertialMeasurementUnit)，通过反馈的电机信号，假设驱动轮按照电机的转动角度实现轮子相应的位移，进而推算出机器人本体的累计位置，而后者通过加速度计和陀螺仪获取运动状态，通过积分运算估计位置信息。然而，在实际应用中，对于惯性推算定位和航迹推算定位而言，虽然不依赖外部设备和标签，但这两种方法都存在累计误差，对于短时间、近距离的位置估计非常有效，但在畜禽舍内，巡检机器人需要24小时不间断巡查，在缺乏外部校正的情况下，误差经过长时间累计而放大，因此不能单独应用于畜禽舍巡检机器人，以实现对畜禽舍的巡检作业。
技术实现思路
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本专利技术实施例提供一种畜禽舍巡检机器人自动路径规划与定位方法及装置，用以弥补传统的GPS导航及其它需要提前规划路径与铺设辅助设备的导航方式所存在的缺陷，适应巡检机器人在畜禽舍养殖环境内的行走。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例一方面提供了一种畜禽舍巡检机器人自动路径规划与定位方法，包括：S1，获取畜禽舍当前的环境信息，构建全局地图，在所述全局地图上规划巡检机器人行走的全局路径；S2，基于所述巡检机器人行走时的三轴姿态角与加速度信息及行走里程信息，估算并更新所述巡检机器人实时的行走位姿，控制所述巡检机器人沿着所述全局路径行走。其中，还包括：S3，在所述全局地图上进行局部路径规划，控制所述巡检机器人沿着规划的局部路径行走，对所述巡检机器人沿所述全局路径行走时遇到的障碍物进行规避。其中，S1进一步包括：基于所述巡检机器人行走的初始状态与目标状态，采用A-Star算法在所述全局地图上自动规划一条最短的全局路径；S2进一步包括：基于实时更新的所述巡检机器人的行走位姿，控制所述巡检机器人沿着最短的全局路径行走。其中，S2中所述估算并更新所述巡检机器人实时的行走位姿进一步包括：基于所述巡检机器人行走时的三轴姿态角与加速度信息，获取所述巡检机器人行走时的预测位姿；将所述预测位姿作为初始位姿与所述巡检机器人在所述全局地图上的位姿进行扫描匹配；进行突变检测，获取扫描匹配位姿；将所述扫描匹配位姿与所述预测位姿进行融合，获取估算的所述巡检机器人实时的行走位姿，并对所述巡检机器人实时的行走位姿进行更新。其中，S3进一步包括：采用DWA算法在所述全局地图上规划所述巡检机器人行走的局部路径，采用如下公式所示的轨迹评价函数确定所述巡检机器人行走的局部路径：G(v，w)＝σ·(α·heading(v，w)+β·dist(v，w)+γ·velocity(v，w))；其中，G(v,w)表示轨迹评价函数，heading(v,w)表示所述巡检机器人与障碍物的夹角，dist(v,w)表示所述巡检机器人距离与其行走轨迹相交的最近的障碍物的距离，velocity(v,w)表示所述巡检机器人的行走速度，α、β、γ依次为heading(v,w)、dist(v,w)及velocity(v,w)的权重，σ为轨迹平滑系数。其中，S2进一步包括：所述巡检机器人在沿着所述全局路径行走中巡检到生理信息异常的畜禽时，在所述全局地图上采用AMCL定位算法获取所述巡检机器人实时的位置信息，将该位置信息作为生理信息异常的畜禽的位置信息发送至云服务器。其中，S2进一步包括：在所述巡检机器人沿着所述全局路径行走之前，检测所述巡检机器人内电池的电量，在所述电池的电量低于预设阈值时，控制所述巡检机器人行走至所述全局地图上预设的充电位置，以寻找充电器并进行充电，在所述电池充满电后，控制所述巡检机器人沿所述全局路径行走。其中，S1进一步包括：基于激光雷达获取畜禽舍当前的环境信息，基于Gmapping算法构建所述全局地图；S2进一步包括：基于惯性测量单元获取所述巡检机器人行走时的三轴姿态角与加速度信息，基于里程测量元件获取所述巡检机器人行走时的行走里程信息。其中，本专利技术实施例另一方面提供一种基于如上畜禽舍巡检机器人自动路径规划与定位方法的装置，包括：激光雷达、惯性测量单元、里程测量元件和控制模块；所述激光雷达、所述惯性测量单元及所述里程测量元件分别连接所述控制模块，所述控制模块用于与巡检机器人的行走驱动系统相连接；其中，所述激光雷达用于采集畜禽舍当前的环境信息，所述惯性测量单元用于采集所述巡检机器人行走时的三轴姿态角与加速度信息，所述里程测量元件用于采集所述巡检机器人的行走里程信息，所述控制模块用于基于所述激光雷达、所述惯性测量单元及所述里程测量元件采集到的信息，通过所述行走驱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种畜禽舍巡检机器人自动路径规划与定位方法，其特征在于，包括：S1，获取畜禽舍当前的环境信息，构建全局地图，在所述全局地图上规划巡检机器人行走的全局路径；/nS2，基于所述巡检机器人行走时的三轴姿态角与加速度信息及行走里程信息，估算并更新所述巡检机器人实时的行走位姿，控制所述巡检机器人沿着所述全局路径行走。/n

【技术特征摘要】
1.一种畜禽舍巡检机器人自动路径规划与定位方法，其特征在于，包括：S1，获取畜禽舍当前的环境信息，构建全局地图，在所述全局地图上规划巡检机器人行走的全局路径；
S2，基于所述巡检机器人行走时的三轴姿态角与加速度信息及行走里程信息，估算并更新所述巡检机器人实时的行走位姿，控制所述巡检机器人沿着所述全局路径行走。


2.根据权利要求1所述的畜禽舍巡检机器人自动路径规划与定位方法，其特征在于，还包括：S3，在所述全局地图上进行局部路径规划，控制所述巡检机器人沿着规划的局部路径行走，对所述巡检机器人沿所述全局路径行走时遇到的障碍物进行规避。


3.根据权利要求1所述的畜禽舍巡检机器人自动路径规划与定位方法，其特征在于，S1进一步包括：基于所述巡检机器人行走的初始状态与目标状态，采用A-Star算法在所述全局地图上自动规划一条最短的全局路径；
S2进一步包括：基于实时更新的所述巡检机器人的行走位姿，控制所述巡检机器人沿着最短的全局路径行走。


4.根据权利要求1至3任一所述的畜禽舍巡检机器人自动路径规划与定位方法，其特征在于，S2中所述估算并更新所述巡检机器人实时的行走位姿进一步包括：
基于所述巡检机器人行走时的三轴姿态角与加速度信息，获取所述巡检机器人行走时的预测位姿；将所述预测位姿作为初始位姿与所述巡检机器人在所述全局地图上的位姿进行扫描匹配；进行突变检测，获取扫描匹配位姿；将所述扫描匹配位姿与所述预测位姿进行融合，获取估算的所述巡检机器人实时的行走位姿，并对所述巡检机器人实时的行走位姿进行更新。


5.根据权利要求2所述的畜禽舍巡检机器人自动路径规划与定位方法，其特征在于，S3进一步包括：采用DWA算法在所述全局地图上规划所述巡检机器人行走的局部路径，采用如下公式所示的轨迹评价函数确定所述巡检机器人行走的局部路径：
G(v，w)＝σ·(α·heading(v，w)+β·dist(v，w)+γ·velocity(v，w))；
其中，G(v,w)表示轨迹评价函数，heading(v,w)表示所述巡检机器人与障碍物的夹角，dist(v,w)表示所述巡检机器人距离与其行走轨迹相交的最近的障碍物的距离，velocity(v,w...

【专利技术属性】
技术研发人员：马为红，李奇峰，丁露雨，余礼根，高荣华，于沁杨，
申请(专利权)人：北京农业信息技术研究中心，
类型：发明
国别省市：北京;11