一种基于iGPS的全向移动机械手自主导航方法

摘要

本发明涉及一种基于iGPS的全向移动机械手自主导航方法，其主要技术特点是包括：全向移动平台获取起始点信息和目标点信息并进行路径规划，实时获取iGPS系统的定位数据，如果该定位数据为有效的iGPS定位数据，则按照iGPS系统的定位数据进行导航，否则使用视觉传感器和旋转编码器组合进行导航。本发明通过iGPS系统、iGPS接收器、随动轮系统、旋转编码器、红外传感器及视觉传感器进行组合定位，能够在复杂的室内环境下进行导航，具有精度高、实时性好、环境适应性强且能够适应iGPS信号被遮挡的情况，解决复杂环境下室内移动机器人的自主导航问题。

说明书

技术领域

本发明属于室内移动机器人自主导航技术领域，尤其是一种基于iGPS的全向移动机械手自主导航方法。

背景技术

室内移动机器人的导航系统指系统获得机器人的实时位置，并引导机器人前往目标位置的过程。移动机器人的导航方式主要有惯性导航、激光雷达导航、磁条导航及视觉导航等。在上述导航方式中，磁条导航安装成本高，维护成本大，且只能行走在磁条区域；激光雷达导航需要在无遮挡的环境中使用，惯性导航已被证明存在较大累积误差，不能长时间使用，视觉导航的处理速度和精度存在较大问题，且受环境亮度影响。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种基于iGPS的全向移动机械手自主导航方法，该定位方法在iGPS高精度定位数据下，通过融合多种传感器的数据完成平台的导航，解决复杂环境下室内移动机器人的自主导航问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于iGPS的全向移动机械手自主导航方法，包括以下步骤：

步骤1、全向移动平台获取起始点信息和目标点信息并进行路径规划，在路径规划完成后，执行步骤2；

步骤2、实时获取iGPS系统的定位数据，如果该定位数据为有效的iGPS定位数据，则按照iGPS系统的定位数据进行导航，否则执行步骤3；

步骤3、使用视觉传感器和旋转编码器组合进行导航。

所述步骤2按照iGPS系统的定位数据进行导航的具体方法为：将电机旋转编码器和随动轮系统获得的数据输入到里程计模型中，由里程计模型计算定位数据；全向移动平台每间隔一定周期尝试获取iGPS系统的定位数据，再将iGPS 系统的定位数据与里程计模型的结果进行比对，如果比对结果偏差在误差允许范围之内，则继续按照iGPS系统的定位数据进行导航，并按照iGPS定位数据更新里程计模型，若比对结果偏差超出误差允许范围，则再获取一次iGPS系统的定位数据，然后判断iGPS系统的定位数据是否出现异常；如果iGPS系统的定位数据没有异常，则继续按照iGPS系统的定位数据进行导航，并按照iGPS定位数据更新里程计模型，如果出现异常或无法获得有效的iGPS定位数据，则转至步骤3使用其他传感器组合进行导航。

所述步骤3使用其他传感器组合进行导航的具体方法为：根据最近有效数据判断距离目标是否具有简短路径,如果具有简短路径，则使用陀螺仪和旋转编码器进行导航，如果到达目标位置，则导航结束；若不能到达目标位置，则使用视觉传感器寻找路标，如果使用视觉传感器仍未找到路标，则系统报错，并结束导航；若找到路标，则根据视觉传感器进行导航，全向移动平台向路标行进；全向移动平台行进到路标区域内后，判断iGPS系统的定位数据是否恢复正常，若恢复正常，则返回步骤2并按照iGPS系统的定位数据进行导航，若仍未恢复，则系统报错，结束导航。

本发明的优点和积极效果是：

本发明通过iGPS系统、随动轮系统、旋转编码器、红外传感器及视觉传感器进行组合定位，能够在复杂的室内环境下进行导航，具有精度高、实时性好、环境适应性强且能够适应iGPS信号被遮挡的情况，解决复杂环境下室内移动机器人的自主导航问题。

附图说明

图1是本发明的运行流程图；

图2是本发明在失去有效iGPS信号时的流程图；

图3是本发明的运行原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种基于iGPS的全向移动机械手自主导航方法，是在基于iGPS的全向移动机械手自主导航系统上实现的。该导航系统包括iGPS系统、安装在iGPS信 号正常区域的路标以及安装在全向移动平台上的iGPS接收器、陀螺仪、随动轮系统、旋转编码器、红外传感器、视觉传感器和控制机。

所述iGPS系统由安装在室内不同位置的多个iGPS发射器构成，为了满足精度需要，至少要安装3个或以上的iGPS发射器。所述iGPS接收器需要安装2个或以上用来获取全向移动平台的实时位置数据和航向角数据。

所述随动轮系统包括随动轮本体、减速器、压紧装置和旋转编码器。随动轮本体在压紧装置的作用下与地面紧密接触，经过减速器带动旋转编码器旋转，获得脉冲数，并发送给控制机。全向移动平台安装2个及以上的随动轮本体，即可对全向移动平台进行短时间内的位置跟踪。随动轮系统采用里程计方式对全向移动平台进行定位。

所述陀螺仪用于解算全向移动平台的位姿数据，主要用于iGPS信号错误或者被遮挡情况下的短时间定位使用。

所述红外传感器安装在全向移动平台的前、后、左、右四个方位上用于实时获得障碍物数据，红外传感器实时测量周围障碍物数据，当达到设定的警告值后向控制机报警，保护全向移动平台不发生碰撞。

所述视觉传感器用于全向移动平台寻找路标时使用。所述路标安置在iGPS信号正常的区域，用于全向移动平台进入iGPS盲区不能完成定位时退出盲区使用。

所述控制机内安装有基于iGPS的全向移动机械手自主导航软件实现全向移动机械手自主导航功能。该全向移动机械手自主导航软件的设计原理是：获取iGPS系统的定位数据，随后根据获取到的定位信息和目标点信息进行路径规划，在路径规划完成后，开始进行导航，在导航过程中，通过随动轮里程计模型的计算，并与iGPS实时数据进行比对，可以对随动轮里程计模型进行修正，也可以剔除具有明显错误的iGPS信号。在iGPS信号受到遮挡时，短时间内可以通过陀螺仪的航向角数据对平台进行导航，通过视觉传感器寻找相近路标，确定路标的航向角，通过陀螺仪的数据和随动轮数据作为双重反馈，引导平台行进到路标位置。

本发明的基于iGPS的全向移动机械手自主导航方法，如图1所示，包括以 下步骤：

步骤1、全向移动平台获取起始点信息和目标点信息并进行路径规划，在路径规划完成后，进入下一步。

步骤2、实时获取iGPS系统的定位数据，如果获取到有效的iGPS定位数据，则按照iGPS系统的定位数据进行导航，具体方法如下：

将电机旋转编码器和随动轮系统获得的数据输入到里程计模型中，由里程计模型计算定位数据；全向移动平台每间隔500ms尝试获取iGPS系统的定位数据，再将iGPS系统的定位数据与里程计模型的结果进行比对，如果两模型结果偏差在误差允许范围之内，则继续按照iGPS系统的定位数据进行导航，并按照iGPS数据更新里程计模型，若两模型结果偏差超出误差允许范围，则再获取一次iGPS系统的定位数据，然后判断iGPS系统的定位数据是否出现异常；如果iGPS系统的定位数据没有异常，则继续按照iGPS系统的定位数据进行导航，并按照iGPS数据更新里程计模型，如果出现异常或无法获得有效的iGPS定位数据，则转至步骤3使用其他传感器组合进行导航。

步骤3、使用其他传感器组合(视觉传感器、旋转编码器)进行导航。采用其他传感器组合进行导航的具体方法如图2所示，包括以下步骤：

根据最近的有效数据判断距离目标是否具有简短路径(直线距离<S0),如果具有简短路径，则尝试使用陀螺仪和旋转编码器行进到目标。上述S0的范围由具体环境制定，复杂环境下S0值调低，简单环境下S0适当调高。

在具有简短路径情况下，尝试根据陀螺仪等传感器行进到目标，如果到达目标位置，则导航结束；若不能到达目标位置，则使用视觉传感器寻找路标；如果全向移动平台在路标区域仍不能接受正确的iGPS信号，则应当进行故障检修。

使用视觉传感器寻找路标是将视觉传感器安装在舵机上，通过舵机的旋转，可以获得360度方向的视觉信息，再通过SIFT等匹配算法，寻找路标。

如果使用视觉传感器仍未找到路标，则系统报错，并结束导航；若找到路标，则根据视觉传感器进行导航，全向移动平台向路标行进。

全向移动平台行进到路标区域内后，系统判断iGPS信号是否恢复正常，若 恢复正常，则返回步骤2按照iGPS系统的定位数据进行导航，若仍未恢复，则系统报错，结束导航。

基于iGPS的全向移动机械手自主导航过程如图3所示。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。