專利名稱：一種移動機(jī)器人的定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種機(jī)器人的定位技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種移動機(jī)器人的定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在移動機(jī)器人的應(yīng)用中，導(dǎo)航是指移動機(jī)器人通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)自主運(yùn)動。導(dǎo)航的成功需要有四個模塊:感知，定位，認(rèn)知，運(yùn)動控制。其中，定位是移動機(jī)器人導(dǎo)航最基本的環(huán)節(jié)，所謂定位就是確定機(jī)器人在環(huán)境中的實(shí)時位姿。當(dāng)前應(yīng)用較多的定位技術(shù)有:視覺導(dǎo)航定位、全球定位系統(tǒng)(GPS,GlobalPositioning System)、差分GPS定位、超聲波定位等。其中,視覺導(dǎo)航定位方式的圖像處理計算量大，計算速度要求高，因而實(shí)時性差，此外，該種定位方式受外界環(huán)境的影響較大，因此不太適用于戶外移動機(jī)器人的定位系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)是由美國國防部控制的，對非美國國防部授權(quán)的用戶，其所能獲得的定位導(dǎo)航精度較低，因此不適于定位精度較高的場合。差分GPS定位，是指用戶GPS接收機(jī)附近設(shè)置一個已知精度坐標(biāo)的差分基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站的接收機(jī)連續(xù)接收GPS導(dǎo)航信號，將測得的位置或距離數(shù)據(jù)與已知的位置、距離數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確定誤差，得出準(zhǔn)確改正值，然后將這些改正數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)播給覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶，用以改正用戶的定位結(jié)果，這種定位方法雖然定位精度高，但成本也很高。對于超聲波定位方式，由于超聲波在空氣中衰減很大，因此只適用空間范圍較小的場合。針對上述各種定位技術(shù)存在的缺陷，有必要提出一種改進(jìn)的移動機(jī)器人定位系統(tǒng)以解決上述問題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種移動機(jī)器人通過角度對比來實(shí)現(xiàn)定位的定位系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種移動機(jī)器人的定位系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)設(shè)于一坐標(biāo)系內(nèi)，且該定位系統(tǒng)包括若干已知坐標(biāo)值的反光件、安裝于機(jī)器人上可360°旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺、激光器、角度編碼器及中央處理單元，所述激光器與角度編碼器安裝于所述轉(zhuǎn)臺上；相鄰反光件之間的連線包圍形成機(jī)器人的工作區(qū)域；所述激光器具有發(fā)射部與接收部，該發(fā)射部發(fā)出激光發(fā)射線至所述反光件后經(jīng)反射形成的激光反射線被所述接收部接收，且所述反光件具備使該激光反射線平行于激光發(fā)射線的光線直反功能；所述角度編碼器用于測得機(jī)器人的機(jī)頭朝向線與所述激光反射線之間的第一角度；所述中央處理單元包括圖形處理程序，該圖形處理程序?qū)λ龉ぷ鲄^(qū)域進(jìn)行柵格化并得出各交叉點(diǎn)的坐標(biāo)值，中央處理單元計算出每一交叉點(diǎn)連接各個反光件所形成的各條連接線之間的多個第二角度，該多個第二角度組成與每一交叉點(diǎn)對應(yīng)的第二角度組，然后將每一第二角度組存儲起來；機(jī)器人在所述工作區(qū)域內(nèi)移動時，所述接收部可同時接收到從多個反光件反射回來的激光反射線，所述角度編碼器可對應(yīng)測得多個所述第一角度，中央處理單元對所述多個第一角度進(jìn)行運(yùn)算處理以獲得各條激光反射線之間的一個第三角度組，然后將所述第三角度與所述第二角度進(jìn)行對比以獲得機(jī)器人在所述坐標(biāo)系內(nèi)的位置。優(yōu)選的，當(dāng)所述第三角度組與存儲的一個第二角度組中有至少兩個連續(xù)相等的角度值時，機(jī)器人的坐標(biāo)值即為該第二角度組對應(yīng)的交叉點(diǎn)的坐標(biāo)值。優(yōu)選的，當(dāng)所述第三角度組與存儲的任意一個第二角度組中僅有一個相等的角度值或沒有相等的角度值時，中央處理單元將尋找到與該第三角度組的各角度值最接近的另一個第二角度組，機(jī)器人在所述坐標(biāo)系內(nèi)的位置最接近該另一個第二角度組所對應(yīng)的交叉點(diǎn)。優(yōu)選的，所述第二角度為所述各條連接線中相鄰兩條連接線之間的角度，所述第三角度為所述各激光反射線中相鄰兩條激光反射線之間的角度。優(yōu)選的，所述第二角度為其中一條連接線與其他各條連接線之間的角度，所述第三角度為其中一條激光反射線與其他各條激光反射線之間的角度。優(yōu)選的，所述移動機(jī)器人為割草機(jī)器人。優(yōu)選的，所述定位系統(tǒng)還包括設(shè)于機(jī)器人上的電子羅盤。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明定位方法通過角度對比來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位，無需過于復(fù)雜的計算程序，因此不但可實(shí)現(xiàn)快速定位，而且成本低廉。

圖1是本發(fā)明定位系統(tǒng)中移動機(jī)器人的部分結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明定位系統(tǒng)中移動機(jī)器人的機(jī)頭朝向線與激光反射線的示意圖，其中
顯示了第一角度與第二角度。圖3是本發(fā)明定位系統(tǒng)中工作區(qū)域被柵格化后的示意圖，其中顯示一交叉點(diǎn)所對應(yīng)的所有第三角度。圖4是本發(fā)明定位系統(tǒng)中接收部接收多條激光反射線時的示意圖，其中顯示多個
第一角度。圖5是本發(fā)明定位系統(tǒng)中接收部接收多條激光反射線時的示意圖，其中對圖4中的多個第一角度進(jìn)行運(yùn)算所得出相鄰兩條激光反射線之間的多個第二角度。圖6是本發(fā)明定位系統(tǒng)中工作區(qū)域被柵格化后的示意圖，其中顯示移動機(jī)器人位于任意一位置時所測得的所有第二角度。圖7是本發(fā)明定位系統(tǒng)中移動機(jī)器人位于任一位置時測得兩個連續(xù)的第三角度時的示意圖。圖8是本發(fā)明定位系統(tǒng)中工作區(qū)域被柵格化后的示意圖，其中移動機(jī)器人沿指定直線移動。
具體實(shí)施方式
參圖1與圖2所示，本發(fā)明提供了一種移動機(jī)器人定位系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)位于一平面坐標(biāo)系內(nèi)，且包括若干已知坐標(biāo)值的反光件M、安裝于該轉(zhuǎn)臺T上的激光器J和角度編碼器B以及中央處理單元(未圖示)。在本實(shí)施方式中，所述移動機(jī)器人R為一割草機(jī)器人，該割草機(jī)器人在草坪上工作，因此整個草坪為所述坐標(biāo)系所在平面。此外，本實(shí)施方式中共
設(shè)置10個反光件，分別為M1、M2......M10，這些反光件為插設(shè)于草坪上的具有光線直反功
能的桿狀路標(biāo)。參圖1與圖2所示，所述轉(zhuǎn)臺T可相對機(jī)器人R機(jī)身進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，該轉(zhuǎn)臺T上安裝有激光器J，該激光器J具有發(fā)射部Jl與接收部J2。所述發(fā)射部Jl向外發(fā)出激光發(fā)射線，由于轉(zhuǎn)臺T作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此所述激光器J也隨轉(zhuǎn)臺T 一起進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，當(dāng)該激光發(fā)射線照射至所述反光件M上后會被該反光件反射而形成激光反射線LI。由于所述反光件M具備光線直反功能，此處所謂的光線直反是指反射光與入射光是平行的且兩者之間間隔甚小而可被忽略，因此所述激光反射線LI將大致沿所述激光發(fā)射線原路返回至機(jī)器人R，返回的激光反射線LI將被所述接收部J2接收。參圖1至圖3所示，所述轉(zhuǎn)臺T上還設(shè)有角度編碼器B，該角度編碼器B是用來測得機(jī)器人R的機(jī)頭朝向線L2與所述激光反射線LI之間的第一角度α，該第一角度α的大小是指機(jī)器人R的機(jī)頭朝向線L2沿指定方向旋轉(zhuǎn)至所述接收部J2接收到所述激光反射線LI所轉(zhuǎn)過的角度，在本實(shí)施方式中規(guī)定該指定方向為順時針方向。此外，由于轉(zhuǎn)臺T的轉(zhuǎn)速很快，因此在同一時刻，發(fā)射部Jl可同時照射到多個連續(xù)的反光件，接收部J2則可收到多條激光反射線LI，從而角度編碼器B可同時測得多個第一角度α，中央處理單元可對多個第一角度α進(jìn)行運(yùn)算處理并獲得相鄰兩條激光放射線LI之間的第三角度β。參圖1至圖3所示，所述中央處理單元的圖形處理程序?qū)Ω鱾€反光件M的連線包圍所形成的工作區(qū)域進(jìn)行柵格化并得出各交叉點(diǎn)的坐標(biāo)值，而且中央處理單元將計算出每一交叉點(diǎn)連接各個反光件M所形成的各條連接線L3之間的多個第二角度Θ，多個第二角度Θ組成與每一交叉點(diǎn)對應(yīng)的第二角度組，然后將每一第二角度組存儲起來。機(jī)器人R在所述工作區(qū)域內(nèi)移動時，所述接收部J2可同時接收到從多個反光件M反射回來的多條激光反射線LI，所述角度編碼器B對應(yīng)測得多個所述第一角度α，中央處理單元對這些第一角度α進(jìn)行運(yùn)算處理以獲得各條激光反射線LI之間的一個第三角度組，然后將所述第三角度組與所述第二角度組進(jìn)行對比以獲得機(jī)器人在所述坐標(biāo)系內(nèi)的位置。以下將主要描述如何獲得機(jī)器人R在坐標(biāo)系內(nèi)的位置的。圖3中的草坪上的工作區(qū)域已被柵格化，柵格的邊長越小，精度越高，因此可以根據(jù)需要設(shè)定合適的精度。工作區(qū)域被柵格化的同時可得出各交叉點(diǎn)的坐標(biāo)值，現(xiàn)已其中一個交叉點(diǎn)A為例，由于各反光件的坐標(biāo)值均已知，因此相鄰兩個反光件與交叉點(diǎn)A的兩條連接線L3之間的第二角度Θ可通過計算得出，本實(shí)施方式中共有10個反光件Ml、M2......M10，因此共有10個第二角度
θ2......θ1(1，這10個第二角度組成與交叉點(diǎn)A對應(yīng)的一個第二角度組，從而交叉點(diǎn)A
可以由這一個第二角度組表示為Α(θ P θ2......θ1(1)。通過同樣的方式可獲得其他交叉
點(diǎn)所對應(yīng)的各個第二角度組。待程序計算完畢后，中央處理單元將每一交叉點(diǎn)所對應(yīng)的每一個第二角度組置于存儲單元內(nèi)。以上步驟結(jié)束后，機(jī)器人R開始工作，結(jié)合圖4與圖5所示，機(jī)器人R在所述工作區(qū)域內(nèi)移動時，所述激光器J的發(fā)射部Jl時刻向外發(fā)出激光發(fā)射線，由于接收部J2在同一時刻可收到多條激光反射線LI，在此以接收部J2可接收到反光件Ml Μ5反射回來的5條激光放射線LI為例，此時角度編碼器B可同時獲得與之對應(yīng)的5個第一角度a 1、α 2、α 3、α 4、α 5。所述中央處理單元對這些第一角度進(jìn)行運(yùn)算處理可計算出相鄰兩條激光反射線LI之間的四個第三角度，大小分別為α2-αι、α3-α2> α4_α3、
α5_α4。參圖3與圖6所示，通過上述分析可知，當(dāng)接收部J2可同時接收到從所有反光件
Ml、M2......MlO上反射回來的激光反射線LI時，中央處理單元則可同時運(yùn)算獲得與所述
交叉點(diǎn)的一組第二角度相對應(yīng)的10個第三角度β 1、β 2......β 1(|，這10個第三角度組成與機(jī)器人R實(shí)時位置相對應(yīng)的一個第三角度組，從而機(jī)器人R的實(shí)時位置可由所測得的這
一個第三角度組表示為R(i^、β2......β1(ι)。中央處理單元通過將實(shí)時測得的一個第三
角度組與存儲單元內(nèi)的第二角度組進(jìn)行對比來獲得機(jī)器人R當(dāng)前在坐標(biāo)系內(nèi)的位置。以下具體描述中央處理單元如何將所述第三角度β與第二角度Θ對比而獲得機(jī)
器人R的當(dāng)前位置的。當(dāng)中央處理單元運(yùn)算獲得一個第三角度組PpP2......β1(ι后，該
第三角度組與存儲的每個第二角度組相比大致有以下幾種情形:1)該第三角度組與存儲單元內(nèi)的一個第二角度組至少有兩個連續(xù)相等的角度值；2)該第三角度組與存儲單元內(nèi)的任意一個第二角度組均沒有相等的角度值；3)該第三角度組與存儲單元內(nèi)的多個第二角度組只有一個相等的角度值。對于情形1，參圖7所示，假設(shè)測得的第三角度組......β1(1中的兩個連續(xù)
的第三角度PpP2與存儲單元中一個第二角度組Θ 1、Θ 2......θ10中對應(yīng)的兩個連續(xù)的
第二角度θ:、θ2相等，對于已知反光件Μ1、Μ2、Μ3的坐標(biāo)值以及夾角βρ β2的兩個三角形AM1M2R和AM2M3R，即可運(yùn)算得出唯一的機(jī)器人所在點(diǎn)R的坐標(biāo)值，因此在該情形下，機(jī)
器人R當(dāng)前的位置即為該第二角度組θ” θ2......θ1(ι所對應(yīng)的交叉點(diǎn)的位置，機(jī)器人R
當(dāng)前的坐標(biāo)值即為該交叉點(diǎn)的坐標(biāo)值，而其他角度值互不相等主要是因誤差而引起。對于情形2，參圖3與圖6所示，中央處理器將存儲單元中每一個第二角度組里的
角度值與所測得的第三角度組 PpP2......β K1里的角度值對應(yīng)相減，以交叉點(diǎn)A為例，
相減后得出一個第四角度組Q1-P1, θ2-β2......θ1(Γβ1(ι，假設(shè)共有η個交叉點(diǎn)，則共有
η個第四角度組，中央處理單元將這η個第四角度組中的各個角度值對應(yīng)相比并選出具有最小絕對值的第四角度組，從選出的第四角度組中再選出具有所述最小絕對值最多的第四角度組，從而獲得與該第四角度組相對應(yīng)的第二角度組，該第二角度組所對應(yīng)的所述交叉點(diǎn)的位置就是機(jī)器人R在坐標(biāo)系內(nèi)最接近的位置。對于情形3，假設(shè)存儲單元中共有m個第二角度組有與所測得的第三角度組僅有一個相同的角度值，中央處理單元首先將這m個第二角度組篩選出來，然后運(yùn)用情形2中相同的判斷方式來確定機(jī)器人當(dāng)前的位置，即通過角度相減將得出m個第五角度組，中央處理單元將這m個第五角度組中的各個角度值對應(yīng)相比并選出具有最小絕對值的第五角度組，從選出的第五角度組中再選出具有所述最小絕對值最多的第五角度組，從而獲得與該第五角度組相對應(yīng)的第二角度組，該第二角度組所對應(yīng)的所述交叉點(diǎn)的位置就是機(jī)器人R在坐標(biāo)系內(nèi)最接近的位置。通過對以上3中情形的描述可知，發(fā)生情形I時，中央處理單元判斷并得出機(jī)器人位置的時間最短；發(fā)生情形2時，由于需要對每一交叉點(diǎn)進(jìn)行對比，因此判斷時間最長；情形3無需對比所有交叉點(diǎn)，因此判斷時間小于情形2。在實(shí)際測量過程中，尤其是柵格精度越小即柵格邊長越長時，發(fā)生情形I的可能性就越小，而發(fā)生情形2和情形3的可能性最大。盡管發(fā)生情形2和情形3的可能性大，中央處理單元也無需每次都將測得的第三角度組與所述η個或m個第二角度組進(jìn)行對比，因為在通常情況下，機(jī)器人R是按指定線路移動的，如圖8所示，機(jī)器人沿直線L4移動。假設(shè)機(jī)器人移動速度為0.3米/秒，中央處理器進(jìn)行角度對比的頻率為I次/秒，柵格邊長為0.1米，機(jī)器人R前一秒的位置為直線上的C點(diǎn)，根據(jù)機(jī)器人R的移動速度可以認(rèn)為機(jī)器人R當(dāng)前的位置一定在以C點(diǎn)為圓心，0.3米為半徑的圓內(nèi)或圓上，此時中央處理單元只需將位于該圓內(nèi)及圓上的交叉點(diǎn)所對應(yīng)的若干第二角度組與所測得的第三角度組進(jìn)行對比，對比方法則與以上所描述三種情形相同。如此，中央處理單元只需對幾個交叉點(diǎn)進(jìn)行對比即可，從而可實(shí)現(xiàn)快速定位。中央處理單元需對比的交叉點(diǎn)還可以進(jìn)一步減少，如增加電子羅盤，當(dāng)測得機(jī)器人航行方向時，只需對比在航行方向上的交叉點(diǎn)，而未在航行方向上的就無需再作對比了。真正需要將測得的第三角度組與所述η個或m個第二角度組進(jìn)行對比的情況僅發(fā)生在機(jī)器人R的前一秒位置未知的情形，如操作員將機(jī)器人R搬至另一位置，使其重新開始工作。本發(fā)明定位系統(tǒng)與定位方法通過角度對比來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位，從而無需編寫過于復(fù)雜的計算處理程序，因此具有簡化程序和降低成本的功效；此外，由于實(shí)際運(yùn)作過程中，中央處理單元僅需對比較小范圍內(nèi)的交叉點(diǎn)，因此可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的快速定位。以上是為便于本領(lǐng)域技術(shù)人員更容易理解本發(fā)明所進(jìn)行的最佳實(shí)施方式的描述，本發(fā)明定位系統(tǒng)與定位方法還有其他實(shí)施方式，如在以上實(shí)施方式中所述的第二角度Θ為所述各條連接線L3中相鄰兩條連接線之間的角度，所述第三角度β為所述各激光反射線LI中相鄰兩條激光反射線之間的角度。第二角度也可以是其中一條連接線與其他各條連接線之間的角度，第三角度也可以是其中一條激光反射線與其他各條激光反射線之間的角度，角度對比方法相同，同樣可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位。因此，只要是在本發(fā)明設(shè)計理念指導(dǎo)下采用等同或等效變換方式所獲得的技術(shù)方案都應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.種移動機(jī)器人的定位系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)設(shè)于一坐標(biāo)系內(nèi)，且該定位系統(tǒng)包括若干已知坐標(biāo)值的反光件、安裝于機(jī)器人上可360°旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺、激光器、角度編碼器及中央處理單元，所述激光器與角度編碼器安裝于所述轉(zhuǎn)臺上；相鄰反光件之間的連線包圍形成機(jī)器人的工作區(qū)域；所述激光器具有發(fā)射部與接收部，該發(fā)射部發(fā)出激光發(fā)射線至所述反光件后經(jīng)反射形成的激光反射線被所述接收部接收，且所述反光件具備使該激光反射線平行于激光發(fā)射線的光線直反功能；所述角度編碼器用于測得機(jī)器人的機(jī)頭朝向線與所述激光反射線之間的第一角度；所述中央處理單元包括圖形處理程序，該圖形處理程序?qū)λ龉ぷ鲄^(qū)域進(jìn)行柵格化并得出各交叉點(diǎn)的坐標(biāo)值，其特征在于:中央處理單元計算出每一交叉點(diǎn)連接各個反光件所形成的各條連接線之間的多個第二角度，該多個第二角度組成與每一交叉點(diǎn)對應(yīng)的第二角度組，然后將每一第二角度組存儲起來；機(jī)器人在所述工作區(qū)域內(nèi)移動時，所述接收部可同時接收到從多個反光件反射回來的激光反射線，所述角度編碼器可對應(yīng)測得多個所述第一角度，中央處理單元對所述多個第一角度進(jìn)行運(yùn)算處理以獲得各條激光反射線之間的一個第三角度組，然后將所述第三角度組與所述第二角度組進(jìn)行對比以獲得機(jī)器人在所述坐標(biāo)系內(nèi)的位置。
2.權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其特征在于:所述第二角度為所述各條連接線中相鄰兩條連接線之間的角度，所述第三角度為所述各激光反射線中相鄰兩條激光反射線之間的角度。
3.權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其特征在于:所述第二角度為其中一條連接線與其他各條連接線之間的角度，所述第三角度為其中一條激光反射線與其他各條激光反射線之間的角度。
4.權(quán)利要求1至3項中任一項所述的定位系統(tǒng)，其特征在于:所述移動機(jī)器人為割草機(jī)器人。
5.權(quán)利要求4所述的定位系統(tǒng)，其特征在于:所述定位系統(tǒng)還包括設(shè)于機(jī)器人上的電子羅盤。
專利摘要一種移動機(jī)器人的定位系統(tǒng)，包括若干已知反光件(M)、轉(zhuǎn)臺(T)、激光器(J)、角度編碼器(B)及中央處理單元；相鄰反光件之間的連線包圍形成機(jī)器人的工作區(qū)域；所述激光器具有發(fā)射部(J1)與接收部(J2)；中央處理單元包括對所述工作區(qū)域進(jìn)行柵格化的圖形處理程序，中央處理單元計算出每一交叉點(diǎn)連接各個反光件所形成的各條連接線(L3)之間的多個第二角度，該多個第二角度組成與每一交叉點(diǎn)對應(yīng)的第二角度組；所述接收部可同時接收到從多個反光件反射回來的激光反射線(L1)，中央處理單元通過運(yùn)算處理獲得各條激光反射線之間的一個第三角度組，然后將所述第三角度組與所述第二角度組進(jìn)行對比以獲得機(jī)器人在所述坐標(biāo)系內(nèi)的位置。
文檔編號G01C1/00GK202928584SQ201220343430
公開日2013年5月8日 申請日期2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月16日
發(fā)明者孔釗, 宋強(qiáng), 姜飛 申請人:蘇州科瓴精密機(jī)械科技有限公司