一种机器人贴边运动控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种机器人贴边运动控制系统和方法，所述系统包括：第一传感单元，用于水平采集机器人前方点云数据及墙壁或最近障碍物距离值；第二传感单元，用于采集机器人右侧墙壁或最近障碍物距离值；第三传感单元，用于垂直采集机器人右前方45°的点云数据及最近障碍物距离值；工控机，用于根据所述第一传感单元、第二传感单元、第三传感单元采集的数据发送控制指令使机器人按设定运动策略沿走廊贴边运动，最终回到并停靠于起点位置。本发明专利技术无需操作人员进入到危险区域中人工进行建图或者采集先验数据，减轻劳动强度和操作风险；对环境具有较强的适应性，非常适用于传染病医院等危险环境的自主作业，具有较高的商业推广及市场应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种机器人贴边运动控制系统及方法
本专利技术涉及机器人控制领域，特别地，涉及一种机器人贴边运动控制系统及方法。
技术介绍
传染病医院平面布局的要求是“三区两通道”，三区是指清洁区、半污染区和污染区，清洁区与污染区之间要有过渡区域。正中央竖直的通道是清洁医护通道，两侧横向的通道是一般医护通道。医护人员的生活办公区位于洁净区，进入到半污染区的走廊，随后进入污染区病房对住院病人进行医治护理。患者的路线是不会进入到清洁区的。通过医患分通道的分流设计，就能有效保障医护人员卫生安全，同时有效开展医疗救治的工作。因此，目前传染病医院的设计以长廊为主，构成回环形式，采用H型模块可以像鱼骨头一样不断延长增加，且污染区、洁净区、半污染区划分明显。现有室内定位导航技术主流采用激光SLAM技术，采用激光SLAM技术进行地图构建的方案必须有先验数据以做标准模板的方案，则需先由人工进行建图、采集先验数据，此项工作非常关键，直接关系到后续机器人的路径规划及运动控制。若建图不成功或数据采集不完全，则必须重新建图及采集数据，工作量大。面对传染性强的疫情期间，若前期建图人工参与度高，无异于提升了人员传染的风险。同时，采用激光SLAM技术进行地图构建，在长走廊的场景中，由于特征点单一，容易出现漂移，导致系统鲁棒性不强，对于局部凹凸障碍物检测不完全，易做出误判，导致最终建图效果不好。
技术实现思路
本专利技术一方面提供了一种机器人贴边运动的系统，以解决现有激光SLAM技术在长走廊场景中因前期建图人工参与度高导致感染风险大、易做出误判导致最终建图效果不好的技术问题。本专利技术采用的技术方案如下：一种机器人贴边运动控制系统，包括：第一传感单元，用于水平采集机器人前方点云数据及墙壁或最近障碍物距离值；第二传感单元，用于采集机器人右侧墙壁或最近障碍物距离值；第三传感单元，用于垂直采集机器人右前方45°的点云数据及最近障碍物距离值；工控机，用于根据所述第一传感单元、第二传感单元、第三传感单元采集的点云数据、墙壁或最近障碍物距离值发送控制指令使机器人按设定运动策略沿走廊贴边运动，最终回到并停靠于起点位置。进一步地，所述第一传感单元包括：以机器人行走方向为轴线对称设置的两个超声波双探头模组、两个单点激光雷达、用于扫描前方水平180°范围进行点云数据采集的水平单线激光雷达；所述第二传感单元包括：以垂直机器人行走方向为轴线对称设置的两超声波双探头模组、两单点激光雷达；所述第三传感单元包括：垂直单线激光雷达，安装设置在所述机器人右前方45°，且其垂直扫描夹角涵盖天花板至地面之间的墙面；所述单点激光雷达的安装高度离地3～8cm。进一步地，还包括：惯性测量单元，所述惯性测量单元与所述工控机电路连接，用于机器人第一次沿走廊贴边运动时按一定频率记录IMU数据，所述的IMU数据包括拐弯时的角速度及对应的时间戳，所述工控机还用于根据第一次沿走廊贴边运动时采集的角速度及对应的时间戳对所述机器人再次沿走廊贴边运动过程中对拐弯前的行走速度和拐弯角度进行修正；防撞保护单元，设置在所述机器人右侧，所述防撞保护单元包括机械电气单元和/或机械单元，所述机械电气单元包括固定在机器人右侧的机械弹簧装置、设置在所述机械弹簧装置前端的导轮、与所述控制器电路连接的限位开关，当导轮将所述机械弹簧装置长度压缩至设定之后，所述限位开关向整车控制器发送控制信号对机器人进行制动；所述机械单元包括固定在机器人右侧的机械装置、设置在所述机械装置前端的导轮。本专利技术另一方面还提供了一种机器人贴边运动控制方法，基于所述的机器人贴边运动控制系统，包括步骤：实时采集机器人行走环境信息，包括水平采集机器人前方点云数据及墙壁或最近障碍物距离、机器人右侧墙壁或最近障碍物距离；机器人右前方45°的垂直点云数据及最近障碍物距离；根据实时采集的机器人行走环境信息识别机器人的前方区域信息、右侧方区域信息和右前方区域信息；根据识别的前方区域信息、右侧方区域信息和右前方区域信息发送相应的控制指令使机器人按设定运动策略沿走廊贴边运动，最终回到并停靠于起点位置。进一步地，所述根据实时采集的机器人行走环境信息识别机器人的前方区域信息具体包括步骤：对采集的前方点云数据进行数据预处理，利用滤波算法滤除噪声、异常值；对预处理后的前方点云数据进行聚类算法分类进一步拟合相关度高的点云；对聚类处理后的前方点云数据进行有助于点云进行线性拟合的平滑处理；采用最小二乘法拟合前方点云数据，获得前方点云数据的线性关系；对拟合后的前方点云数据进行降维投影；将降维投影后的前方点云数据与预设的区域点云模板进行匹配，最终识别机器人前方所处空间区域类型，所述的区域点云模板包括平直区域点云模板、右拐弯平直区域点云模板、左拐弯平直区域点云模板、T型通道点云模板、封闭通道点云模板、开阔区域点云模板，所述空间区域类型包括平直区域、右拐弯平直区域、左拐弯平直区域、T型通道、封闭通道、开阔区域，所述开阔区域指室内左侧墙面、前方墙面超出水平单线激光雷达扫描范围的区域。进一步地，所述根据实时采集的机器人行走环境信息识别机器人的右前方区域信息具体包括步骤：对采集的垂直点云数据进行数据预处理，利用滤波算法滤除噪声、异常值；对预处理后的垂直点云数据进行聚类算法分类进一步拟合相关度高的点云；对聚类处理后的垂直点云数据进行有助于点云进行线性拟合的平滑处理；采用最小二乘法拟合垂直点云数据，获得垂直点云数据的线性关系；对拟合后的垂直点云数据进行降维投影；将降维投影后的垂直点云数据与基础障碍物模板进行匹配，最终识别机器人右前方是否存在特定障碍物，并同时根据垂直点云数据的距离信息记录最近障碍物点云距离，所述基础障碍物模板包括门。进一步地，所述根据识别的前方区域信息、右侧方区域信息和右前方区域信息发送相应的控制指令使机器人按设定运动策略沿走廊贴边运动，最终回到并停靠于起点位置具体包括步骤：获取机器人前方最小距离探测值LF和右侧方的最小距离探测值LR；当所识别的机器人前方所处空间区域类型为平直区域时，控制机器人按设定速度保持前行，且满足条件：(LF>LF0)&(-e<L0-LC0<e)，其中e为允许误差，LF0为预设的前方安全距离,LC0为预设的右侧方安全距离，L0为LF和LR之中的最小值；当机器人右前方存在门时，控制机器人按设定速度保持前行，且满足条件：(LF>LF0)&(-e<L0-LC0<e)；当所识别的机器人前方所处空间区域类型为右拐弯平直区域时，先控制机器人行进到第二传感单元检测不到墙壁或者障碍物，接着控制机器人向右旋转90°，直到满足条件：(LF>LF0)&(-e<L0-LC0<e)，然后继续前行；当所识别的机器人前方所处空间区域类型为左拐弯平直区域时，先本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人贴边运动控制系统，其特征在于，包括：/n第一传感单元，用于水平采集机器人前方点云数据及墙壁或最近障碍物距离值；/n第二传感单元，用于采集机器人右侧墙壁或最近障碍物距离值；/n第三传感单元，用于垂直采集机器人右前方45°的点云数据及最近障碍物距离值；/n工控机，用于根据所述第一传感单元、第二传感单元、第三传感单元采集的点云数据、墙壁或最近障碍物距离值发送控制指令使机器人按设定运动策略沿走廊贴边运动，最终回到并停靠于起点位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种机器人贴边运动控制系统，其特征在于，包括：
第一传感单元，用于水平采集机器人前方点云数据及墙壁或最近障碍物距离值；
第二传感单元，用于采集机器人右侧墙壁或最近障碍物距离值；
第三传感单元，用于垂直采集机器人右前方45°的点云数据及最近障碍物距离值；
工控机，用于根据所述第一传感单元、第二传感单元、第三传感单元采集的点云数据、墙壁或最近障碍物距离值发送控制指令使机器人按设定运动策略沿走廊贴边运动，最终回到并停靠于起点位置。


2.根据权利要求1所述的机器人贴边运动控制系统，其特征在于，
所述第一传感单元包括：以机器人行走方向为轴线对称设置的两个超声波双探头模组(2)、两个单点激光雷达(3)、用于扫描前方水平180°范围进行点云数据采集的水平单线激光雷达(1)；
所述第二传感单元包括：以垂直机器人行走方向为轴线对称设置的两超声波双探头模组(2)、两单点激光雷达(3)；
所述第三传感单元包括：垂直单线激光雷达，安装设置在所述机器人右前方45°，且其垂直扫描夹角涵盖天花板至地面之间的墙面；
所述单点激光雷达(3)的安装高度离地3～8cm。


3.根据权利要求1或2所述的机器人贴边运动控制系统，其特征在于，还包括：
惯性测量单元，所述惯性测量单元与所述工控机电路连接，用于机器人第一次沿走廊贴边运动时按一定频率记录IMU数据，所述的IMU数据包括拐弯时的角速度及对应的时间戳，所述工控机还用于根据第一次沿走廊贴边运动时采集的角速度及对应的时间戳对所述机器人再次沿走廊贴边运动过程中对拐弯前的行走速度和拐弯角度进行修正；
防撞保护单元，设置在所述机器人右侧，所述防撞保护单元包括机械电气单元和/或机械单元，所述机械电气单元包括固定在机器人右侧的机械弹簧装置、设置在所述机械弹簧装置前端的导轮、与所述控制器电路连接的限位开关，当导轮将所述机械弹簧装置长度压缩至设定之后，所述限位开关向整车控制器发送控制信号对机器人进行制动；所述机械单元包括固定在机器人右侧的机械装置、设置在所述机械装置前端的导轮。


4.一种机器人贴边运动控制方法，基于如权利要求1至3中任一项所述的机器人贴边运动控制系统，其特征在于，包括步骤：
实时采集机器人行走环境信息，包括水平采集机器人前方点云数据及墙壁或最近障碍物距离值、机器人右侧墙壁或最近障碍物距离值；机器人右前方45°的垂直点云数据及最近障碍物距离值；
根据实时采集的机器人行走环境信息识别机器人的前方区域信息、右侧方区域信息和右前方区域信息；
根据识别的前方区域信息、右侧方区域信息和右前方区域信息发送相应的控制指令使机器人按设定运动策略沿走廊贴边运动，最终回到并停靠于起点位置。


5.根据权利要求4所述的机器人贴边运动控制方法，其特征在于，根据实时采集的机器人行走环境信息识别机器人的前方区域信息具体包括步骤：
对采集的前方点云数据进行数据预处理，利用滤波算法滤除噪声、异常值；
对预处理后的前方点云数据进行聚类算法分类进一步拟合相关度高的点云；
对聚类处理后的前方点云数据进行有助于点云进行线性拟合的平滑处理；
采用最小二乘法拟合前方点云数据，获得前方点云数据的线性关系；
对拟合后的前方点云数据进行降维投影；
将降维投影后的前方点云数据与预设的区域点云模板进行匹配，最终识别机器人前方所处空间区域类型，所述的区域点云模板包括平直区域点云模板、右拐弯平直区域点云模板、左拐弯平直区域点云模板、T型通道点云模板、封闭通道点云模板、开阔区域点云模板，所述空间区域类型包括平直区域、右拐弯平直区域、左拐弯平直区域、T型通道、封闭通道、开阔区域，所述开阔区域指室内左侧墙面、前方墙面超出水平单线激光雷达扫描范围的区域。


6.根据权利要求4所述的机器人贴边运动控制方法，其特征在于，根据实时采集的机器人行走环境信息识别机器人的右前方区域信息具体包括步骤：
对采集的垂直点云数据进行数据预处理，利用滤波算法滤除噪声、异常值；
对预处理后的垂直点云数据进行聚类算法分类进一步拟合相关度高的点云；
对聚类处理后的垂直点云数据进行有助于点云进行线性拟合的平滑处理；
采用最小二乘法拟合垂直点云数据，获得垂直点云数据的线性关系；
对拟合后的垂直点云数据进行降维投影；
将降维投影后的垂直点云数据与基础障碍物模板进行匹配，最终识别机器人右前方是否存在特定障碍物，并同时根据垂...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斌，陈凯，李亮，张岁寒，罗新亮，廖国勇，王道锋，
申请(专利权)人：长沙中联重科环境产业有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43