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      一種基于二維激光雷達的微型機器人控制系統(tǒng)及方法

      文檔序號:10724013閱讀:517來源:國知局
      一種基于二維激光雷達的微型機器人控制系統(tǒng)及方法
      【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于二維激光雷達的微型機器人控制系統(tǒng)及方法,系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)融合處理模塊和壁障控制模塊。數(shù)據(jù)采集模塊用于實時采集微型機器人和障礙物間距離信息、微型機器人位置信息和微型機器人周圍場景圖像;數(shù)據(jù)融合處理模塊用于對數(shù)據(jù)采集模塊獲得的實時信息進行數(shù)據(jù)融合處理,根據(jù)融合處理后的信息構建虛擬三維場景、數(shù)據(jù)分析,再根據(jù)分析結果生成避障命令;避障控制模塊根據(jù)避障命令重新規(guī)劃行走路線,進行避障動作,實現(xiàn)微型機器人自主移動。發(fā)明無需借助人為操作及外部傳感器,利用自身的激光雷達、超聲波探測器、導航儀等多種探測儀器對外部環(huán)境的偵測,實現(xiàn)微型機器人的自主移動功能。
      【專利說明】
      一種基于二維激光雷達的微型機器人控制系統(tǒng)及方法
      技術領域
      [0001]本實發(fā)明涉及一種機器人控制系統(tǒng)及方法,具體涉及一種基于二維激光雷達的微型機器人控制系統(tǒng)及方法。
      【背景技術】
      [0002]機器人(Robot)是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮,又可以運行預先編排的程序,也可以根據(jù)以人工智能技術制定的原則綱領行動。機器人具有代替人類進行特殊環(huán)境下工作的能力,廣泛用于工業(yè)、醫(yī)學、農業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領域。
      [0003]目前大部分機器人已具備一定的感知功能,如視覺和聽覺能力。應用較多的為遙控機器人,通過操作者完成各種遠程作業(yè)。然而,現(xiàn)有的機器人基本都是靜物或是遙控類裝置,無法自動避開障礙物進行自主移動的能力。

      【發(fā)明內容】

      [0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是現(xiàn)有微型機器人無法實現(xiàn)自動避障的不足,目的在于提供一種基于二維激光雷達的微型機器人控制系統(tǒng)及方法,有效的改善微型機器人無法自動避障的問題,實現(xiàn)微型機器人的自動避障而自主移動功能。
      [0005]本發(fā)明通過下述技術方案實現(xiàn):
      一種基于二維激光雷達的微型機器人控制系統(tǒng),包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)融合處理模塊和壁障控制模塊。
      [0006]所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括激光雷達單元、超聲波探測單元、攝像單和定位單元;所述的激光雷達單元用于實時采集微型機器人和障礙物間的第一距離信息;超聲波探測單元用于實時采集微型機器人和障礙物間的第二距離信息;攝像單元用于實時采集微型機器人周圍的場景圖像;定位單元用于實時采集微型機器人定位信息。
      [0007]所述的數(shù)據(jù)融合處理模塊包括數(shù)據(jù)融合處理單元、SLAM運算單元、數(shù)據(jù)分析單元和避障命令生成單元;數(shù)據(jù)融合處理單元用于將數(shù)據(jù)采集模塊得到的信息進行融合處理,獲得融合處理信息;SLAM運算單元用于根據(jù)融合處理后的信息構建虛擬三維場景;數(shù)據(jù)分析單元用于根據(jù)構建的虛擬三維場景進行數(shù)據(jù)分析;避障命令生成單元用于根據(jù)數(shù)據(jù)分析單元得到的分析結果生成避障命令。
      [0008]所述的避障控制模塊包括導航單元和壁障命令執(zhí)行單元;所述導航單元用于根據(jù)數(shù)據(jù)融合處理模塊生成的避障命令重新規(guī)劃機器人行走路線;避障命令執(zhí)行單元用于根據(jù)更新的行走路線進行避障動作。
      [0009]優(yōu)選地,所述的數(shù)據(jù)采集模塊還包括信息處理單元,用于將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的信息實時打包并傳輸給數(shù)據(jù)融合處理模塊;所述數(shù)據(jù)融合處理模塊也包括信息處理單元,用于接收數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)男畔?,同時將信息融合處理得到的信息進行打包并傳輸給避障控制模塊;所述避障控制模塊也包括信息處理單元,用于接收數(shù)據(jù)融合處理模塊傳輸?shù)男畔ⅰ?br>[0010]優(yōu)選地,所述的激光雷達單元包括激光發(fā)射器、激光發(fā)射器轉動裝置、激光接收器和激光信號處理器;激光發(fā)射器用于發(fā)射探測激光,激光發(fā)射器轉動裝置用于轉動激光發(fā)射器,實現(xiàn)多方向探測激光的發(fā)送;激光接收器用于接收障礙物反射的激光;激光信號處理器用于根據(jù)接收的探測激光信息快速、精確的計算出微型機器人與障礙物的實時距離信息。
      [0011]優(yōu)選地,所述的激光雷達單元和超聲波探測單元可分別實時采集微型機器人與障礙物間的第一距離信息和第二距離信息,從而可獲得微型機器人與障礙物間的精確距離信息。
      [0012]優(yōu)選地,所述SLAM運算單元包括特征更新、數(shù)據(jù)關聯(lián)、狀態(tài)估計、狀態(tài)更新及特征更新幾個部分,能夠根據(jù)融合處理后的信息構建虛擬三維場景。
      [0013]優(yōu)選地,所述攝像單元為一種能在夜間或光照較暗條件下實現(xiàn)高分辨攝像的攝像機,為現(xiàn)有技術。
      [0014]—種基于二維激光雷達的微型機器人控制方法,包括以下步驟:
      51、數(shù)據(jù)采集模塊實時采集微型機器人實時數(shù)據(jù);
      52、數(shù)據(jù)采集模塊的信息處理單元將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)信息實時打包并傳輸給數(shù)據(jù)融合處理模塊;
      53、數(shù)據(jù)融合處理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊獲得的實時數(shù)據(jù)構建實時虛擬三維場景,根據(jù)構建的實時虛擬三維場景進行數(shù)據(jù)分析,并根據(jù)分析結果生成避障命令;
      54、數(shù)據(jù)融合處理模塊的信息處理單元將避障命令傳輸給避障控制模塊的信息處理單元,根據(jù)接收的避障命令進行導航,再由避障命令執(zhí)行單元進行避障控制,實現(xiàn)微型機器人的自動避障。
      [0015]優(yōu)選地,所述的步驟SI包括以下子步驟:
      511.激光雷達單元用于進行微型機器人實時數(shù)據(jù)采集,獲得微型機器人與障礙物間的第一距離信息;
      512.超聲波探測單元用于進行微型機器人實時數(shù)據(jù)采集,獲得微型機器人與障礙物間的第二距離信息;
      513.攝像單元用于實時采集微型機器人周圍的場景圖像;
      514.定位單元用于實時采集微型機器人的定位信息。
      [0016]優(yōu)選地,所述的步驟Sll包括以下子步驟:
      Sill.激光雷達單元中的激光發(fā)射器和激光發(fā)射器轉動裝置協(xié)同作用下發(fā)射探測激光;
      SI 12.探測激光遇到障礙物后反射,激光接收器接收到反射激光;
      S113.激光信號處理器對發(fā)送和接收的激光信息進行處理,計算出微型機器人與障礙物間的距離。
      [0017]優(yōu)選地,所述的步驟S3包括以下子步驟:
      531.數(shù)據(jù)融合處理模塊的信息處理單元實時接收微型機器人的實時數(shù)據(jù);
      532.數(shù)據(jù)融合處理模塊的數(shù)據(jù)融合處理單元對微型機器人實時數(shù)據(jù)進行融合處理;
      533.數(shù)據(jù)融合處理模塊的SLAM運算單元對融合處理后的數(shù)據(jù)進行SLAM運算,構建虛擬三維場景; 534.數(shù)據(jù)融合處理模塊的數(shù)據(jù)分析單元根據(jù)構建的虛擬三維場景進行數(shù)據(jù)分析;
      535.數(shù)據(jù)融合處理模塊的避障命令生成單元根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果生成避障命令。
      [0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比,具有如下的優(yōu)點和有益效果:提供一種基于二維激光雷達的微型機器人控制系統(tǒng)及方法,通過數(shù)據(jù)采集模塊采集微型機器人的實時數(shù)據(jù)信息傳輸給數(shù)據(jù)融合處理模塊,進而對實時數(shù)據(jù)信息進行融合處理并根據(jù)融合處理后的信息構建虛擬三維場景,再對三維場景進行數(shù)據(jù)分析,根據(jù)分析結果生成避障命令傳輸給避障控制模塊,導航單元根據(jù)接收的避障命令重新規(guī)劃行走路線,根據(jù)新航線避障執(zhí)行單元進行避障控制,實現(xiàn)了微型機器人的高效、快速、準確避障。
      【附圖說明】
      [0019]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進一步理解,構成本申請的一部分,并不構成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中:
      圖1為本發(fā)明系統(tǒng)原理框圖。
      【具體實施方式】
      [0020]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白,下面結合實施例和附圖,對本發(fā)明作進一步的詳細說明,本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明,并不作為對本發(fā)明的限定。
      [0021]如圖1所示,一種基于二維激光雷達的微型機器人控制系統(tǒng),包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)融合處理模塊和壁障控制模塊。
      [0022]數(shù)據(jù)采集模塊包括激光雷達單元、超聲波探測單元、攝像單元和定位單元;激光雷達單元用于實時采集微型機器人和障礙物間的第一距離信息;超聲波探測單元用于實時采集微型機器人和障礙物間的第二距離信息;攝像單元用于實時采集微型機器人周圍的場景圖像;定位單元用于實時采集微型機器人定位信息。
      [0023]數(shù)據(jù)融合處理模塊包括數(shù)據(jù)融合處理單元、SLAM運算單元、數(shù)據(jù)分析單元和避障命令生成單元;數(shù)據(jù)融合處理單元用于將數(shù)據(jù)采集模塊得到的信息進行融合處理,獲得融合處理信息;SLAM運算單元用于根據(jù)融合處理后的信息構建虛擬三維場景;數(shù)據(jù)分析單元用于根據(jù)構建的虛擬三維場景進行數(shù)據(jù)分析;避障命令生成單元用于根據(jù)數(shù)據(jù)分析單元得到的分析結果生成避障命令。
      [0024]避障控制模塊包括導航單元和壁障命令執(zhí)行單元;導航單元用于根據(jù)數(shù)據(jù)融合處理模塊生成的避障命令重新規(guī)劃機器人行走路線;避障命令執(zhí)行單元用于根據(jù)更新的行走路線進行避障動作。
      [0025]數(shù)據(jù)采集模塊還包括信息處理單元,用于將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的信息實時打包并傳輸給數(shù)據(jù)融合處理模塊;數(shù)據(jù)融合處理模塊也包括信息處理單元,用于接收數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)男畔ⅲ瑫r將信息融合處理得到的信息進行打包并傳送給避障控制模塊;避障控制模塊也包括信息處理單元,用于接收數(shù)據(jù)融合處理模塊傳輸?shù)男畔ⅰ?br>[0026]激光雷達單元包括激光發(fā)射器、激光發(fā)射器轉動裝置、激光接收器和激光信號處理器;激光發(fā)射器用于發(fā)射探測激光,激光發(fā)射器轉動裝置用于轉動激光發(fā)射器,實現(xiàn)多方向探測激光的發(fā)送;激光接收器用于接收障礙物反射的激光;激光信號處理器用于根據(jù)接收的探測激光信息快速、精確的計算出微型機器人與障礙物的實時距離信息。
      [0027]SLAM運算單元包括特征更新、數(shù)據(jù)關聯(lián)、狀態(tài)估計、狀態(tài)更新及特征更新幾個部分,能夠根據(jù)融合處理后的信息構建虛擬三維場景。攝像單元為一種能在夜間或光照較暗條件下實現(xiàn)高分辨攝像的攝像機,為現(xiàn)有技術。
      [0028]—種基于二維激光雷達的微型機器人控制方法,包括以下步驟:
      51、數(shù)據(jù)采集模塊實時采集微型機器人實時數(shù)據(jù);
      52、數(shù)據(jù)采集模塊的信息處理單元將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)信息實時打包并傳輸給數(shù)據(jù)融合處理模塊;
      53、數(shù)據(jù)融合處理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊獲得的實時數(shù)據(jù)構建實時虛擬三維場景,根據(jù)構建的實時虛擬三維場景進行數(shù)據(jù)分析,并根據(jù)分析結果生成避障命令;
      54、數(shù)據(jù)融合處理模塊的信息處理單元將避障命令傳輸給避障控制模塊的信息處理單元,根據(jù)接收的避障命令進行導航,再由避障命令執(zhí)行單元進行避障控制,實現(xiàn)微型機器人的自動避障。
      [0029]其中,步驟SI包括以下子步驟:
      511、激光雷達單元用于進行微型機器人實時數(shù)據(jù)采集,獲得微型機器人與障礙物間的第一距離信息;
      512、超聲波探測單元用于進行微型機器人實時數(shù)據(jù)采集,獲得微型機器人與障礙物間的第二距離信息;
      513、攝像單元用于實時采集微型機器人周圍的場景圖像;
      514、定位單元用于實時采集微型機器人的定位信息。
      [0030]其中,步驟Sll包括以下子步驟:
      5111、激光雷達單元中的激光發(fā)射器和激光發(fā)射器轉動裝置協(xié)同作用下發(fā)射探測激光;
      5112、探測激光遇到障礙物后反射,激光接收器接收到反射激光;
      5113、激光信號處理器對發(fā)送和接收的激光信息進行處理,計算出微型機器人與障礙物間的距離。
      [0031]其中,步驟S3包括以下子步驟:
      531、數(shù)據(jù)融合處理模塊的信息處理單元實時接收微型機器人的實時數(shù)據(jù);
      532、數(shù)據(jù)融合處理模塊的數(shù)據(jù)融合處理單元對微型機器人實時數(shù)據(jù)進行融合處理;
      533、數(shù)據(jù)融合處理模塊的SLAM運算單元對融合處理后的數(shù)據(jù)進行SLAM運算,構建虛擬三維場景;
      534、數(shù)據(jù)融合處理模塊的數(shù)據(jù)分析單元根據(jù)構建的虛擬三維場景進行數(shù)據(jù)分析;
      535、數(shù)據(jù)融合處理模塊的避障命令生成單元根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果生成避障命令。
      [0032]以上所述的【具體實施方式】,對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明,所應理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的【具體實施方式】而已,并不用于限定本發(fā)明的保護范圍,凡在本發(fā)明的精神和原則之內,所做的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
      【主權項】
      1.一種基于二維激光雷達的微型機器人控制系統(tǒng),其特征在于,包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)融合處理模塊和壁障控制模塊; 所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括激光雷達單元、超聲波探測單元、攝像單元、定位單元;所述的激光雷達單元用于實時采集微型機器人與障礙物間的第一距離信息;超聲波探測單元用于實時采集微型機器人與障礙物間的第二距離信息;攝像單元用于實時采集微型機器人周圍的場景圖像;定位單元用于實時采集微型機器人定位信息; 所述的數(shù)據(jù)融合處理模塊包括數(shù)據(jù)融合處理單元、SLAM運算單元、數(shù)據(jù)分析單元和避障命令生成單元;數(shù)據(jù)融合處理單元用于將數(shù)據(jù)采集模塊得到的信息進行融合處理,獲得融合處理信息;SLAM運算單元用于根據(jù)融合處理后的信息構建虛擬三維場景;數(shù)據(jù)分析單元用于根據(jù)構建的虛擬三維場景進行數(shù)據(jù)分析;避障命令生成單元用于根據(jù)數(shù)據(jù)分析單元得到的分析結果生成避障命令; 所述的避障控制模塊包括導航單元和壁障命令執(zhí)行單元;所述導航單元用于根據(jù)數(shù)據(jù)融合處理模塊生成的避障命令重新規(guī)劃微型機器人行走路線;避障命令執(zhí)行單元用于根據(jù)更新的行走路線進行避障動作。2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于二維激光雷達的微型機器人控制系統(tǒng),其特征在于,所述的數(shù)據(jù)采集模塊還包括信息處理單元,用于將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的信息實時打包并傳輸給數(shù)據(jù)融合處理模塊;所述數(shù)據(jù)融合處理模塊也包括信息處理單元,用于接收數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)男畔?,同時將數(shù)據(jù)融合處理得到的信息進行打包并傳送給避障控制模塊;所述避障控制模塊也包括信息處理單元,用于接收數(shù)據(jù)融合處理模塊傳輸?shù)男畔ⅰ?.根據(jù)權利要求1所述的一種基于二維激光雷達的微型機器人控制系統(tǒng),其特征在于,所述的激光雷達單元包括激光發(fā)射器、激光發(fā)射器轉動裝置、激光接收器和激光信號處理器;激光發(fā)射器用于發(fā)射探測激光,激光發(fā)射器轉動裝置用于轉動激光發(fā)射器,實現(xiàn)多方向探測激光的發(fā)送;激光接收器用于接收障礙物反射的激光;激光信號處理器用于根據(jù)接收的探測激光信息快速、精確的計算出微型機器人與障礙物的實時距離信息。4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于二維激光雷達的微型機器人控制系統(tǒng),其特征在于,所述SLAM運算單元包括特征更新、數(shù)據(jù)關聯(lián)、狀態(tài)估計、狀態(tài)更新及特征更新幾個部分。5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于二維激光雷達的微型機器人控制系統(tǒng),其特征在于,所述攝像單元為一種能在夜間或光照較暗條件下實現(xiàn)高分辨攝像的攝像機。6.一種基于二維激光雷達的微型機器人控制方法,其特征在于,包括以下步驟: S1、數(shù)據(jù)采集模塊實時采集微型機器人實時數(shù)據(jù); S2、數(shù)據(jù)采集模塊的信息處理單元將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)信息實時打包并傳送給數(shù)據(jù)融合處理模塊; S3、數(shù)據(jù)融合處理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊獲得的實時數(shù)據(jù)構建實時虛擬三維場景,根據(jù)構建的實時虛擬三維場景進行數(shù)據(jù)分析,并根據(jù)分析結果生成避障命令; S4、數(shù)據(jù)融合處理模塊的信息處理單元將避障命令傳輸給避障控制模塊的信息處理單元,根據(jù)接收的避障命令進行導航,再由避障命令執(zhí)行單元進行避障控制,實現(xiàn)微型機器人的自動避障。7.根據(jù)權利要求6所述的一種基于二維激光雷達的微型機器人控制方法,其特征在于,所述的步驟SI包括以下子步驟: S11、激光雷達單元用于進行微型機器人實時數(shù)據(jù)采集,獲得微型機器人與障礙物間的第一距離信息; S12、超聲波探測單元用于進行微型機器人實時數(shù)據(jù)采集,獲得微型機器人與障礙物間的第二距離信息; S13、攝像單元用于實時采集微型機器人周圍的場景圖像; S14、定位單元用于實時采集微型機器人的定位信息。8.根據(jù)權利要求7所述的一種基于二維激光雷達的微型機器人控制方法,其特征在于,所述的步驟Sll包括以下子步驟: S111、激光雷達單元中的激光發(fā)射器和激光發(fā)射器轉動裝置協(xié)同作用下發(fā)射探測激光; S112、探測激光遇到障礙物后反射,激光接收器接收到反射激光; S113、激光信號處理器對發(fā)送和接收的激光信息進行處理,計算出微型機器人與障礙物間的距離。9.根據(jù)權利要求6所述的一種基于二維激光雷達的微型機器人控制方法,其特征在于,所述的步驟S3包括以下子步驟: S31、數(shù)據(jù)融合處理模塊的信息處理單元實時接收微型機器人的實時數(shù)據(jù); S32、數(shù)據(jù)融合處理模塊的數(shù)據(jù)融合處理單元對微型機器人實時數(shù)據(jù)進行融合處理; S33、數(shù)據(jù)融合處理模塊的SLAM運算單元對融合處理后的數(shù)據(jù)進行SLAM運算,構建虛擬三維場景; S34、數(shù)據(jù)融合處理模塊的數(shù)據(jù)分析單元根據(jù)構建的虛擬三維場景進行數(shù)據(jù)分析; S35、數(shù)據(jù)融合處理模塊的避障命令生成單元根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果生成避障命令。
      【文檔編號】G05D1/02GK106094836SQ201610641776
      【公開日】2016年11月9日
      【申請日】2016年8月8日 公開號201610641776.0, CN 106094836 A, CN 106094836A, CN 201610641776, CN-A-106094836, CN106094836 A, CN106094836A, CN201610641776, CN201610641776.0
      【發(fā)明人】凃海洋, 李薪, 王曉維, 游迪, 趙靜
      【申請人】成都希德電子信息技術有限公司
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