一种运输导航机器人及其航向修正方法

1.本发明属于自动化定位导航技术领域，具体涉及一种基于imu(惯性测量单元)与激光测距传感器的沿墙物流运输机器人及其航向修正方法。

背景技术：

2.随着自动化定位导航技术的发展，相比于室外(全球定位系统)车辆导航技术，室内移动机器人小车导航技术也越来越成熟，市场机制趋于良好，应用前景越发广泛。例如在工业环境下的自动化生产车间、商业环境下的餐饮走廊或医疗机构的物流运送通道等，都渐渐需要可以在规划好的固定路线下，自动往返行驶的智能物流机器人，以此来代替人工，节省人力成本，提高生产或运输效率。因此发明一种适合在室内应用的、成本较低、方法简单且易于实现的物流运输机器人是非常必要的。
3.针对上述需求，目前，国内外也有很多相关的解决方案。
4.目前主流的室内物流运输机器人主要有两种：
5.一种是基于agv磁条的导航机器人。其具有路径规划灵活、导航位置相对准确的优点。但是传统的磁条导航机器人需要事先在导航地面铺设磁条，然后粘贴保护性胶带。磁条本身相对于地面来说耐磨性较差，适宜安装在干燥、干净的环境，因此在整洁的自动化工业生产车间得到较好的应用。当应用场景中人流或其他移动载具较多，环境地面容易产生磨损时，磁条导航方案适应性较差。
6.另一种是基于视觉的巡线机器人。导航位置同样较为准确。但是在室内环境光源较为复杂或者室内光源较暗时，因视觉图像质量变差，会影响导航的效果。且需要采用昂贵的激光雷达或者深度摄像机，成本较高。

技术实现要素：

7.本发明为了上述问题，提出了一种成本相对较低，受环境光影响较小，且在室内地面易产生磨损的环境适应性较好的基于imu与激光测距传感器的物流运输导航机器人。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
8.一种运输导航机器人，包括：固定在机器人小车上的imu惯性导航模块、激光测距修正模块以及后端处理单元；
9.imu惯性导航模块用于获取imu航向角；
10.激光测距修正模块用于测量机器人小车与障碍物的距离；
11.后端处理单元用于实现对机器人小车的惯性导航及航向修正。
12.优选地，激光测距修正模块发射的激光垂直于机器人小车的侧表面。
13.优选地，障碍物为阻碍机器人小车行进的墙体、栅栏或隔板。
14.优选地，imu惯性导航模块硬件采用六轴陀螺仪或三轴陀螺仪。
15.优选地，激光测距修正模块包括四个分别位于机器人小车左、右侧表面的前后两端的激光测距传感器，四个激光测距传感器的安装高度相同；激光测距传感器为tof激光测
距传感器。
16.优选地，后端处理单元包括主动控制模块和驱动模块；主动控制模块硬件采用stm32f407开发板，驱动模块采用轮毂伺服电机驱动器。
17.一种运输导航机器人的航向修正方法，包括以下步骤：
18.s1、比较当前航向角α与初始标准航向角α0的大小关系，根据修正的行驶时间控制补偿角度差所需的角速度w，实现对机器人小车的惯性导航；
19.s2、建立航向修正模型，使第一激光测距传感器与第二激光测距传感器质心连线的中心点0
′
与墙的距离d等于第一激光测距传感器距障碍物的距离m1与第二激光测距传感器距障碍物的距离m2的平均值d0，实现对机器人小车的航向修正。
20.优选地，步骤s1之前还包括：
21.步骤s0：建立陀螺仪世界坐标系；
22.陀螺仪世界坐标系满足右手原则。
23.优选地，步骤s1包括以下步骤：
24.s101、选取当前的较稳定的imu航向角度α0作为初始的标准航向；
25.s102、设机器人小车的线速度为v而角速度为w0＝0，
26.当前的航向角α＞α0时，利用式(1)获取修正的行驶时间tw：
[0027][0028]
其中，w为设补偿角度差所需的角速度；
[0029]
当前的航向角α＜α0时，利用式(2)获取修正的行驶时间t
′w：
[0030][0031]
s103、主动控制模块将线速度v与角速度w通过串口发送给机器人小车驱动模块，并根据tw实时控制角速度w的行驶时间。
[0032]
优选地，步骤s2包括以下步骤：
[0033]
s201、运输导航机器人第一次原地左转或右转，使其侧面与障碍物平行；
[0034]
s202、第二次原地左转或右转固定角度β，直线行驶距离r后到达目标位置后，原地反方向转固定角度β，使其侧面与障碍物平行。
[0035]
优选地，步骤s201分为两种情况：
[0036]
当d1≤d2时，原地右转使d1＝d2＝d，由下式计算控制右转的运动时间：
[0037][0038]
其中，d1为第二激光测距传感器测得的数据；
[0039]
d2为第一激光测距传感器测得的测得数据；
[0040]
w1为机器人小车的设定角速度；
[0041]
s为第一激光测距传感器与第二激光测距传感器之间的距离；
[0042][0043]
当d1＞d2时，原地左转使d1＝d2＝d，由式(3)计算控制左转的运动时间，此时，
[0044][0045]
优选地，步骤s202分为两种情况：
[0046]
当d＜m2时，第二次原地右转时间由式(6)获取：
[0047][0048]
其中，w2为第二次原地右转和原地左转阶段的设定角速度，
[0049]
直线行驶阶段的运行时间由下式获取：
[0050][0051]
其中，v1为修正中直线行驶过程机器人小车的设定线速度；
[0052]
当d＞m1时，第二次原地左转时间由式(6)获取，此时，w2为第二次原地左转和原地右转阶段的设定角速度；
[0053]
直线行驶阶段的运行时间由式(7)获取。
[0054]
优选地，还包括步骤s5：
[0055]
主控制模块将机器人小车的线速度与角速度通过串口发送给驱动模块，并根据time_1、time_2、time_3实时控制以设定线速度与设定角速度的行驶时间，实现航向修正。
[0056]
本发明能够取得以下技术效果：
[0057]
1、本发明的物流运输机器人是基于室内障碍物导航行驶，相比于利用地面磁条的agv物流运输机器人，不受地面复杂情况影响，在人流和其他移动载具较多的室内环境中适应性相对较好。
[0058]
2、本发明修正航向导航是通过激光测距获取数据，相比于传统视觉导航依靠视觉图像获取数据，受环境光源的影响相对较小。
[0059]
3、本发明不需要采用价格高昂的硬件或传感器，如激光雷达、深度摄像机等，使得机器人小车成本相对较低。
[0060]
4、本发明不需要在导航路径的全程铺设磁条及粘贴保护性磁条胶带，仅需沿障碍物行驶，在特定导航环境下可以降低安装和维护成本。
附图说明
[0061]
图1是本发明一个实施例的一种运输导航机器人的系统框架图；
[0062]
图2是本发明一个实施例的imu惯性导航框架结构；
[0063]
图3是本发明一个实施例的陀螺仪世界坐标系；
[0064]
图4是本发明一个实施例的机器人小车激光测距框架结构；
[0065]
图5是本发明一个实施例的激光测距d1≤d2，d＜m2时的沿墙航向修正模型；
[0066]
图6是本发明一个实施例的激光测距d1＞d2，d＜m2时的沿墙航向修正模型；
[0067]
图7是本发明一个实施例的激光测距d1≤d2，d≥m1时的沿墙航向修正模型；
[0068]
图8是本发明一个实施例的激光测距d1＞d2，d≥m1时的沿墙航向修正模型；
[0069]
图9是本发明一个实施例的航向修正方法流程图。
[0070]
附图标记：
[0071]
机器人小车1、
[0072]
imu惯性导航模块2、六轴陀螺仪21、
[0073]
激光测距修正模块3、第一激光测距传感器31、第二激光测距传感器 32、第三激光测距传感器33、第四激光测距传感器34、
[0074]
主控制模块4、驱动模块5。
具体实施方式
[0075]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
[0076]
本发明的目的是提供一种成本相对较低、易于实现且在室内地面易受磨损的环境适应性较好的机器人，通过imu进行惯性导航并利用激光测距传感器测量机器人距障碍物距离辅助修正航向，实现了在室内地面易磨损环境下机器人物流小车的运输导航功能。下面将对本发明提供的一种运输导航机器人及其航向修正方法，通过具体实施例来进行详细说明。
[0077]
如图1示出的系统框架，包括固定在机器人小车1上的imu惯性导航模块2、激光测距修正模块3以及后端处理单元；
[0078]
imu惯性导航模块2用来获取imu航向角，激光测距修正模块3用来测机器人小车1靠墙一侧与障碍物的距离，后端处理单元用于实现对机器人小车1的惯性导航及航向修正。
[0079]
后端处理单元包括主控制模块4和驱动模块5，主控制模块4的硬件采用stm32f407开发板，驱动模块5采用轮毂伺服电机驱动器。
[0080]
imu惯性导航模块2硬件采用六轴陀螺仪21或三轴陀螺仪，在本发明的一个优选实施例中，如图2示出的imu惯性导航框架，硬件采用六轴陀螺仪21，并固定在机器人小车1的重心位置。
[0081]
在本发明的一个优选实施例中，选择墙体为障碍物，还可以是栅栏、隔板等阻碍机器人小车1行进的物体。
[0082]
激光测距修正模块3包括分别位于机器人小车1左、右侧表面的前后两端的第一激光测距传感器31、第二激光测距传感器32、第三激光测距传感器33和第四激光测距传感器
34，如图4所示，四个激光测距传感器的安装高度相同，发射的激光均垂直于机器人小车1的侧表面，四个激光测距传感器为tof激光测距传感器。
[0083]
结合图9示出的航向修正方法流程图，对本发明后端处理单元完成的两部分功能：一是通过imu惯性导航模块2获取的航向角度信息，实现对机器人小车1的惯性导航；二是利用实时测得的激光测距数据，实现对机器人小车1的航向修正进行说明。
[0084]
在图2的基础上建立如图3所示的陀螺仪世界坐标系，使六轴陀螺仪21 的z轴垂直于水平地面且方向向下，y轴与水平地面平行，方向为机器人小车 1的前进方向，x轴分别与y轴和z轴垂直且以机器人小车1左侧为正方向，陀螺仪世界坐标系满足右手原则。另外，在xoy平面上，imu航向角α以x 轴顺时针方向为正，逆时针为负。
[0085]
在本发明的一个优选实施例中，主控制模块4通过串口通信获取六轴陀螺仪21发送来的imu航向角度数据，并将机器人小车1行驶时，当前较稳定的imu航向角α0作为初始的标准航向。
[0086]
在机器人小车1行驶运动过程中，不可避免由于驱动器控制精度、车轮形状位置精度等问题引起系统内误差，导致机器人小车1逐渐偏航。
[0087]
设机器人小车1的线速度为v而角速度w0＝0，如图3所示，当 stm32f407获取的imu航向角α＞α0时，若设补偿角度差所需的角速度为 w，则通过式(1)可计算出角速度为w时，左转修正的行驶时间。
[0088][0089]
当imu航向角α＜α0时，利用式(2)获取右转修正的行驶时间t
′w：
[0090][0091]
最后stm32f407将线速度v与角速度w通过串口发送给机器人小车1 的驱动模块5，并根据tw实时控制角速度w的行驶时间，以此来控制机器人小车1运动，实现对机器人小车1的惯性导航。
[0092]
在本发明的另一个实施例中，第一激光测距传感器31和第二激光测距传感器32发射的激光不垂直于障碍物表面，可通过三角函数计算出机器人小车1与障碍物的实际距离，现以发射的激光垂直于障碍物表面为例，建立如图5所示的航向修正模型：
[0093]
设第二激光测距传感器32测得的距离数据为d1，第一激光测距传感器 31测得的距离数据为d2；第一激光测距传感器31与第二激光测距传感器32 质心连线的中心点为0
′
，距离为s；设六轴陀螺仪21距离墙面m1到m2之间的距离带为标准距墙行驶距离带(m1＞m2)。
[0094]
随着机器人小车1行驶系统内误差的累加，会使机器人小车1位置偏离标准距墙行驶距离带，因此航向修正的目的是使第一激光测距传感器31与第二激光测距传感器32中心点0
′
的距墙距离位于m1与m2之间，即m2≤d≤m1，当d接近或等于m1和m2的平均值d0时为完成航向修正。
[0095]
在本发明的一个优选实施例中，激光测距修正模块3的测距精度小于1cm， d1和d2通过串口发送给主控制模块4。
[0096]
当d1≤d2时，如图5、图7所示，通过公式(4)计算0
′
点的距墙距离d：
[0097][0098]
然后，判断若d＜m2，则采用图5的修正模型，进行两步修正：
[0099]
第一步，令机器人小车1线速度v为0，角速度为w1，原地右转使d1＝d2＝d，即修正机器人小车1的航向，令机器人小车1侧面与墙面平行，由式(3)可计算出控制右转的运动时间：
[0100][0101]
第二步，先进行原地右转固定角度β，直线行驶距离r后再原地左转固定角度β，以此来修正机器人小车1上o
′
点的距墙距离。此时设第二次原地右转角速度为w2，由下式(6)可计算出第二次右转时间。
[0102][0103]
设第二步修正中直线行驶过程的线速度为v1，由式(7)可得直线行驶阶段的运行时间：
[0104][0105]
令原地左转阶段的角速度也为w2，且旋转角度与右转相同为β，所以原地左转时间也为time_2。
[0106]
同理，判断若d＞m1，则采用图7的两步修正模型。
[0107]
首先航向修正过程与上述步骤s201相同，其次修正过程变为先进行原地左转固定角度β，再直线行驶距离r，接着原地右转固定角度β修正机器人小车1上o
′
点的距墙距离。其中转弯与直线行驶的运动控制时间计算方法均与图5的修正模型相同，即(3)、(6)、(7)式。
[0108]
当激光测距的数据d1＞d2时，如图6、图7所示，通过下式(5)计算点的距墙距离d：
[0109][0110]
同理，判断当d＜m2则采用图6的修正模型，进行两步修正。
[0111]
第一步，令机器人小车1线速度v为0，角速度为w1，原地左转使 d1＝d2＝d。修正机器人小车1的航向，令机器人小车1侧面与墙面平行。同样由(4)式可得到左转时间，第二步则与图5的第二步相同。
[0112]
判断当d＞m1，则采用如图8的修正模型进行两步修正。其中第一步与图 6的第一
步相同，第二步与图7的第二步相同。
[0113]
在本发明的另一个优选实施例中，当计算o
′
点的距墙距离d满足 m2≤d≤m1时，令机器人小车1以线速度v(v≠0)角速度w＝0直线行驶即可。由于机器人小车1存在系统误差，行驶一段时间后，会处于图5或图6 或图7或图8所示四种状态中的一种，再按相对应模型修正航向。
[0114]
最后主控制模块4将机器人小车1的线速度与角速度通过串口发送给驱动模块5，并根据time_1、time_2、time_3实时控制设定线速度与设定角速度的行驶时间，实现航向修正。
[0115]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0116]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
[0117]
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

技术特征：

1.一种运输导航机器人，其特征在于，包括：固定在机器人小车上的imu惯性导航模块、激光测距修正模块以及后端处理单元；所述imu惯性导航模块用于获取imu航向角；所述激光测距修正模块用于测量所述机器人小车与障碍物的距离；所述后端处理单元用于实现对所述机器人小车的惯性导航及航向修正。2.根据权利要求1所述的运输导航机器人，其特征在于，所述激光测距修正模块发射的激光垂直于所述机器人小车的侧表面。3.根据权利要求1所述的运输导航机器人，其特征在于，所述障碍物为阻碍所述机器人小车行进的墙体、栅栏或隔板。4.根据权利要求1所述的运输导航机器人，其特征在于，所述imu惯性导航模块硬件采用六轴陀螺仪或三轴陀螺仪。5.根据权利要求1所述的运输导航机器人，其特征在于，所述激光测距修正模块包括四个分别位于所述机器人小车左、右侧表面的前后两端的激光测距传感器，四个所述激光测距传感器的安装高度相同；所述激光测距传感器为tof激光测距传感器。6.根据权利要求1所述的运输导航机器人，其特征在于，所述后端处理单元包括主动控制模块和驱动模块；所述主动控制模块硬件采用stm32f407开发板，所述驱动模块采用轮毂伺服电机驱动器。7.一种运输导航机器人的航向修正方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、比较当前航向角α与初始标准航向角α0的大小关系，根据修正的行驶时间控制补偿角度差所需的角速度w，实现对机器人小车的惯性导航；s2、建立航向修正模型，使第一激光测距传感器与第二激光测距传感器质心连线的中心点0
′
与墙的距离d等于第一激光测距传感器距障碍物的距离m1与第二激光测距传感器距障碍物的距离m2的平均值d0，实现对所述机器人小车的航向修正。8.根据权利要求7所述的运输导航机器人航向修正方法，其特征在于，步骤s1之前还包括：步骤s0：建立陀螺仪世界坐标系；所述陀螺仪世界坐标系满足右手原则。9.根据权利要求7所述的运输导航机器人航向修正方法，其特征在于，步骤s1包括以下步骤：s101、选取当前的较稳定的imu航向角度α0作为初始的标准航向；s102、设所述机器人小车的线速度为v而角速度为w0＝0，当所述当前的航向角α＞α0时，利用式(1)获取修正的行驶时间t
w
：其中，w为设补偿角度差所需的角速度；当所述当前的航向角α＜α0时，利用式(2)获取修正的行驶时间t
′
w
：
s103、主动控制模块将线速度v与角速度w通过串口发送给机器人小车驱动模块，并根据t
w
实时控制角速度w的行驶时间。10.根据权利要求7所述的运输导航机器人航向修正方法，其特征在于，步骤s2包括以下步骤：s201、所述运输导航机器人第一次原地左转或右转，使其侧面与障碍物平行；s202、第二次原地左转或右转固定角度β，直线行驶距离r后到达目标位置后，原地反方向转所述固定角度β，使其侧面与所述障碍物平行。11.根据权利要求10所述的运输导航机器人航向修正方法，其特征在于，步骤s201分为两种情况：当d1≤d2时，原地右转使d1＝d2＝d，由下式计算控制右转的运动时间：其中，d1为所述第二激光测距传感器测得的数据；d2为所述第一激光测距传感器测得的测得数据；w1为所述机器人小车的设定角速度；s为所述第一激光测距传感器与所述第二激光测距传感器之间的距离；当d1＞d2时，原地左转使d1＝d2＝d，由式(3)计算控制左转的运动时间，此时，12.根据权利要求10所述的运输导航机器人航向修正方法，其特征在于，步骤s202分为两种情况：当d＜m2时，第二次原地右转时间由式(6)获取：其中，w2为第二次原地右转和原地左转阶段的设定角速度，直线行驶阶段的运行时间由下式获取：其中，v1为修正中直线行驶过程机器人小车的设定线速度；
当d＞m1时，第二次原地左转时间由式(6)获取，此时，w2为第二次原地左转和原地右转阶段的设定角速度；直线行驶阶段的运行时间由式(7)获取。13.根据权利要求7所述的运输导航机器人航向修正方法，其特征在于，还包括步骤s5：主控制模块将所述机器人小车的线速度与角速度通过串口发送给驱动模块，并根据time_1、time_2、time_3实时控制以所述设定线速度与所述设定角速度的行驶时间，实现航向修正。

技术总结

本发明属于自动化定位导航技术领域，提供了一种运输导航机器人及其航向修正方法，通过固定在机器人小车上的IMU惯性导航模块、激光测距修正模块以及后端处理单元实现对机器人小车的惯性导航及航向修正。相比于利用地面磁条的AGV物流运输机器人，不受地面复杂情况影响，在人流和其他移动载具较多的室内环境中适应性相对较好；相比于传统视觉导航依靠视觉图像获取数据，受环境光源的影响相对较小；不需要采用价格高昂的硬件或传感器，如激光雷达、深度摄像机等，使得机器人小车成本相对较低；不需要在导航路径的全程铺设磁条及粘贴保护性磁条胶带，仅需沿墙面行驶，在特定导航环境下可以降低安装和维护成本。下可以降低安装和维护成本。下可以降低安装和维护成本。