一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導(dǎo)航系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來隨著傳感器等技術(shù)的進(jìn)步，智能機(jī)器人系統(tǒng)開始應(yīng)用在服務(wù)行業(yè)中，開辟了機(jī)器人自主服務(wù)的新領(lǐng)域，在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制理論和方法研宄中，確定性環(huán)境的導(dǎo)航控制方法已經(jīng)取得了大量的研宄和應(yīng)用成果。對(duì)未知環(huán)境中的導(dǎo)航控制也開展了一些研宄，并提出了若干方法，但是尚未形成統(tǒng)一和完善的體系結(jié)構(gòu)，還有許多關(guān)鍵理論和技術(shù)問題有待解決與完善。這些問題包括環(huán)境的建模、定位、導(dǎo)航控制器的學(xué)習(xí)與優(yōu)化、故障診斷以及路徑規(guī)劃等。未知環(huán)境中的移動(dòng)機(jī)器人只具有較少的先驗(yàn)知識(shí)，其導(dǎo)航控制方法涉及環(huán)境認(rèn)知、優(yōu)化策略、知識(shí)表示與獲取等多項(xiàng)關(guān)鍵問題。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境中導(dǎo)航理論和方法的研宄，將推動(dòng)認(rèn)知科學(xué)、模式識(shí)別、非線性控制等前沿學(xué)科的研宄，帶動(dòng)航天、海洋、軍事、建筑、交通、工業(yè)和服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制系統(tǒng)的研宄開發(fā)，為無人勘探車、無人排險(xiǎn)車和無人運(yùn)輸車等用于航天、軍事、深海作業(yè)和核工業(yè)領(lǐng)域的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
[0003]在機(jī)器人系統(tǒng)中，自主導(dǎo)航是一項(xiàng)核心技術(shù)，是機(jī)器人研宄領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。在導(dǎo)航過程中，常常面臨無法預(yù)先知道、不可預(yù)測或動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境。移動(dòng)機(jī)器人感知環(huán)境的手段通常是不完備的，傳感器給出的數(shù)據(jù)是不完全、不連續(xù)、不可靠的。因此，就需要我們根據(jù)具體情況的不同研宄出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，以適應(yīng)不同的場景需求。
[0004]多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)形成于上世紀(jì)80年代，目前已成為研宄的熱點(diǎn)。它不同于一般信號(hào)處理，也不同于單個(gè)或多個(gè)傳感器的監(jiān)測和測量，而是對(duì)基于多個(gè)傳感器測量結(jié)果基礎(chǔ)上的更高層次的綜合決策過程。它可以把分布在不同位置的多個(gè)同類或不同類傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)資源加以綜合，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補(bǔ)，降低其不確實(shí)性，獲得被測對(duì)象的一致性解釋與描述，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性和正確性，使系統(tǒng)獲得更充分的信息。
[0005]有鑒于傳感器技術(shù)的微型化、智能化程度提高，在信息獲取基礎(chǔ)上，多種功能進(jìn)一步集成以致于融合，這是必然的趨勢。本導(dǎo)航系統(tǒng)融合了多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)等前沿學(xué)科理論，研宄成果將指導(dǎo)發(fā)明一種適用航天、軍事、深海作業(yè)和核工業(yè)領(lǐng)域等應(yīng)用領(lǐng)域的新型導(dǎo)航系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導(dǎo)航系統(tǒng)，它配備了多種傳感器，通過特殊的地圖構(gòu)建、自助定位、路徑規(guī)劃來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航任務(wù)；提高了信息獲取的有效性以及系統(tǒng)決策的實(shí)時(shí)性和正確性，以解決上述【背景技術(shù)】中提出的問題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0008]一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導(dǎo)航系統(tǒng)，包括四大功能模塊:地圖構(gòu)建模塊、定位模塊、計(jì)程模塊和路徑規(guī)劃模塊；地圖構(gòu)建模塊是結(jié)合建筑圖、測量工作場地，通過環(huán)境建模軟件，人工生成柵格地圖的方式來描述；定位模塊則通過激光掃描傳感器測量出機(jī)器人與環(huán)境的相對(duì)位置，通過直線擬合求出機(jī)器人與墻壁的距離，然后經(jīng)過坐標(biāo)變換得到機(jī)器人的全局坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)定位功能；計(jì)程模塊采用常用的里程計(jì)，將計(jì)程數(shù)據(jù)和激光掃描測量數(shù)據(jù)融合形成導(dǎo)航數(shù)據(jù)流；路徑規(guī)劃模塊則采用了基于地圖的全局路徑規(guī)劃，將配備的激光掃描傳感器與超聲測距傳感器所測數(shù)據(jù)經(jīng)過融合算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，通過地圖構(gòu)建、自助定位、路徑規(guī)劃來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航任務(wù)。
[0009]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:激光掃描傳感器與超聲測距傳感器所測數(shù)據(jù)都具有不同的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)數(shù)據(jù)被獲取以后，利用融合算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的劃分，利用優(yōu)先級(jí)的高低進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。
[0010]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:超聲測距傳感器安裝在機(jī)器人底盤前部，作為避障和繞障行走測量單元。
[0011]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:激光掃描傳感器安裝在機(jī)器人頂部；作為精確定位和避障測量單元。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明具有較為全面的信息獲取渠道，通過其獨(dú)特的信息處理方法，有效的避免了信息的冗余和矛盾，使得導(dǎo)航系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確率方面有明顯提升。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的地圖構(gòu)建模塊結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖3為本發(fā)明的定位模塊結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖4為本發(fā)明的定位系統(tǒng)算法流程圖。
[0017]圖5為本系統(tǒng)的路徑規(guī)劃控制系統(tǒng)框圖。
[0018]圖6為本系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)融合算法結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0020]實(shí)施例1
[0021]本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用傳感器信號(hào)采集處理板將各傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并結(jié)合環(huán)境感知應(yīng)用程序API以及嵌入計(jì)算機(jī)的分析、處理完成導(dǎo)航定位，其中超聲測距傳感器作為避障和繞障行走測量單元，激光掃描傳感器作為精確定位和避障測量單元。
[0022]如圖2所示，結(jié)合建筑圖、測量工作場地，通過環(huán)境建模軟件模塊，人工生成柵格標(biāo)注地圖。編寫地圖編輯軟件，將建筑圖輸入計(jì)算機(jī)，對(duì)建筑圖進(jìn)行測量并在柵格圖上標(biāo)注出來。形成包含工作環(huán)境結(jié)構(gòu)(如墻壁，固定家具)信息的柵格地圖。該地圖是路徑規(guī)劃系統(tǒng)的輸入，同時(shí)也是導(dǎo)航定位系統(tǒng)的輸入。
[0023]如圖3所示，本系統(tǒng)以羅盤輸入方向建立機(jī)器人坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系。激光掃描測量出機(jī)器人與環(huán)境的相對(duì)距離，通過直線擬合區(qū)分墻壁和一般障礙，求出機(jī)器人到墻壁的距離，通過機(jī)器人坐標(biāo)變換，將機(jī)器人坐標(biāo)距離轉(zhuǎn)換全局坐標(biāo)，該全局坐標(biāo)對(duì)應(yīng)柵格地圖中的柵格從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定位，根據(jù)定位值和規(guī)劃路徑點(diǎn)序列的最小距離實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。
[0024]由于定位計(jì)算復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算，為了加快導(dǎo)航速度，采用計(jì)程數(shù)據(jù)融合計(jì)算導(dǎo)航數(shù)據(jù)，如圖4所示，定位點(diǎn)之間的路徑定位計(jì)算采用計(jì)程算法。
[0025]圖5所示為路徑規(guī)劃控制系統(tǒng)框圖，在本系統(tǒng)中，超聲測距傳感器每20°安裝一個(gè)共安裝10個(gè)，覆蓋約180°，主要是提供超聲測距傳感器角度和障礙距離數(shù)據(jù)，然后由workfollow路徑控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)避障和繞行功能。在其繞行過程中需導(dǎo)航定位，計(jì)程、柵格地圖等所有單元的實(shí)時(shí)配合。
[0026]圖6為采用的多傳感器數(shù)據(jù)融合算法結(jié)構(gòu)圖。
[0027]避碰和精確定位的超聲測距傳感器的安裝方式:
[0028]在機(jī)器人底盤前部安裝一圈超聲測距傳感器作為避障和繞障行走測量單元。在超聲測距傳感器上方安裝激光掃描傳感器作為精確定位和避障測量單元，該激光掃描傳感器安裝位置必須充分考慮環(huán)境匹配相關(guān)性，如果工作環(huán)境不能滿足環(huán)境匹配要求，則激光掃描傳感器的精確定位作用將難以發(fā)揮，只能作避碰應(yīng)用，建議安裝位置為抓取物品高度。
[0029]用于導(dǎo)航的激光掃描傳感器的安裝方式:
[0030]用作導(dǎo)航的激光掃描傳感器安裝在機(jī)器人頂部。高度應(yīng)盡可能高一些，應(yīng)能夠保證激光能夠掃描到環(huán)境中的墻壁。本發(fā)明的導(dǎo)航方案基于柵格體地圖路徑規(guī)劃的定位導(dǎo)航方式，因此采用結(jié)構(gòu)化環(huán)境參數(shù)測量定位方式與整個(gè)路徑控制系統(tǒng)緊密配合。激光掃描傳感器安裝的高一些有利于結(jié)構(gòu)化環(huán)境參數(shù)測量。另外有與采用的底盤設(shè)計(jì)方案與計(jì)程測量系統(tǒng)匹配有困難為了保證在計(jì)程出現(xiàn)不可預(yù)知風(fēng)險(xiǎn)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的導(dǎo)航和定位，采用結(jié)構(gòu)化環(huán)境參數(shù)測量導(dǎo)航方案更為保險(xiǎn)，基于上述兩個(gè)原因本系統(tǒng)采用環(huán)境參數(shù)測量方案。
[0031]對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。
[0032]此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，包括地圖構(gòu)建模塊、定位模塊、計(jì)程模塊和路徑規(guī)劃模塊；地圖構(gòu)建模塊是結(jié)合建筑圖、測量工作場地，通過環(huán)境建模軟件，人工生成柵格地圖；定位模塊則通過激光掃描傳感器測量出機(jī)器人與環(huán)境的相對(duì)位置，通過直線擬合求出機(jī)器人與墻壁的距離，然后經(jīng)過坐標(biāo)變換得到機(jī)器人的全局坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)定位功能；計(jì)程模塊采用常用的里程計(jì)，將計(jì)程數(shù)據(jù)和激光掃描測量數(shù)據(jù)融合形成導(dǎo)航數(shù)據(jù)流；路徑規(guī)劃模塊則采用了基于地圖的全局路徑規(guī)劃；將配備的激光掃描傳感器與超聲測距傳感器所測數(shù)據(jù)經(jīng)過融合算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，通過地圖構(gòu)建、自助定位、路徑規(guī)劃來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航任務(wù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述激光掃描傳感器與超聲測距傳感器所測數(shù)據(jù)都具有不同的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)數(shù)據(jù)被獲取以后，利用融合算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的劃分，利用優(yōu)先級(jí)的高低進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲測距傳感器安裝在機(jī)器人底盤前部，作為避障和繞障行走測量單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述激光掃描傳感器安裝在機(jī)器人頂部，作為精確定位和避障測量單元。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導(dǎo)航系統(tǒng)，包括地圖構(gòu)建模塊、定位模塊、計(jì)程模塊和路徑規(guī)劃模塊；地圖構(gòu)建模塊是結(jié)合建筑圖、測量工作場地，通過環(huán)境建模軟件，人工生成柵格地圖；定位模塊則通過激光掃描傳感器測量出機(jī)器人與環(huán)境的相對(duì)位置，求出機(jī)器人與墻壁的距離，經(jīng)過坐標(biāo)變換得到機(jī)器人的全局坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)定位功能；計(jì)程模塊將計(jì)程數(shù)據(jù)和激光掃描測量數(shù)據(jù)融合形成導(dǎo)航數(shù)據(jù)流；將傳感器所測數(shù)據(jù)經(jīng)過融合算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，通過地圖構(gòu)建、自助定位、路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航任務(wù)。本發(fā)明具有較為全面的信息獲取渠道，通過其獨(dú)特的信息處理方法，有效的避免了信息的冗余和矛盾，明顯提升實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確率。
【IPC分類】G01C21-00
【公開號(hào)】CN104535061
【申請?zhí)枴緾N201510005806
【發(fā)明人】周旋, 孔令成, 趙江海
【申請人】常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月6日