移动机器人的自主路径规划与避障系统及其使用方法技术方案

本发明专利技术公开了一种移动机器人的自主路径规划与避障系统及其使用方法，包括移动机器人、PC机、GPS定位模块、激光雷达模块、电子罗盘模块和里程计模块。GPS定位模块获取移动机器人所在处的位置信息。电子罗盘模块获取移动机器人的相对方位，里程计模块将获取机器人的移动距离，利用航位推算法不需外界环境信息，由PC机推断移动机器人所处的位姿信息。随着时间的推进固定间隔进行GPS位置校正。PC机解算出移动机器人当前位姿属性，结合GPS定位模块获得的位置信息实现机器人的位置信息获取。激光雷达对前方进行实时扫描，PC机将激光雷达返回的信息通过Slam算法构图，以Slam构图与GPS定位为基础，当重新观察到相匹配的特征时机器人的位姿和地图特征位置被更新。

Autonomous path planning and obstacle avoidance system for mobile robot and its use method

The invention discloses a mobile robot's autonomous path planning and obstacle avoidance system and its operation methods, including mobile robot, PC machine, GPS positioning module, laser radar module, electronic compass module and odometer module. The GPS positioning module gets the location information of the location of the mobile robot. The relative orientation of the electronic compass module acquisition of mobile robot and the moving distance of the odometer module will get the robot's reckoning without the information of the environment by the dead, pose information by the PC machine that mobile robot. GPS position correction is carried out with the time to advance the fixed interval. The position information of the mobile robot is calculated by PC, and the location information obtained by the GPS positioning module is used to obtain the location information of the robot. The real-time scanning is carried out by the lidar. The PC is used to compose the information returned by the laser radar through Slam algorithm. Based on the Slam composition and GPS location, the position and position of the robot are updated when the matching feature is re observed.

【技术实现步骤摘要】
移动机器人的自主路径规划与避障系统及其使用方法
本专利技术涉及机器人控制
，特别涉及一种移动机器人的自主路径规划与避障系统及其使用方法。
技术介绍
移动机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。是目前科学技术发展最活跃的领域之一。它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果。在有些特殊地区，例如无人区的巡逻工作，如果派遣人危险性极高。而自主移动机器人则可以代替人来完成巡逻工作。随着移动机器人的使用领域逐渐拓宽，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。因此，移动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。但传统的移动机器人需要人去操控的缺点使传统移动机器人很难得以推广与运用，并且传统的移动机器人有维护成本高，人工成本高的劣势。不能自主也限制了传统移动机器人的活动范围，由于通讯距离的局限性使传统机器人的使用领域也具有了局限性。
技术实现思路
本专利技术提出一种移动机器人的自主路径规划与避障系统及其使用方法，解决了现有技术中移动机器人自主性差，人工成本高的问题。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种移动机器人的自主路径规划与避障系统，包括移动机器人、PC机、GPS定位模块、激光雷达模块、电子罗盘模块和里程计模块；GPS定位模块、激光雷达模块、电子罗盘模块和里程计模块均安装在移动机器人上，GPS定位模块用于获取移动机器人所处的位置信息并传输至PC机内，电子罗盘模块用于获取移动机器人的相对方位并传输至PC机内；里程计模块获取移动机器人的移动距离并传输至PC机内；激光雷达模块用于对移动机器人前方实时扫描并将扫描信息传输至PC机内，PC机将接收到的信息进行融合处理并发送控制命令给移动机器人，移动机器人根据控制指令进行移动。为增加本专利技术的准确性，在移动机器人上还设置有GPS信号加强组件，GPS信号加强组件包括GPS天线、竖杆、旋转电机Ⅰ、伸缩杆和旋转电机Ⅱ，旋转电机Ⅰ安装在移动机器人上，且旋转电机Ⅰ的输出轴上固定有转盘，在转盘上固定有旋转电机Ⅱ，旋转电机Ⅱ的输出轴与竖杆连接，竖杆的上部垂直插入连接套筒内，且在竖杆顶部安装有齿轮；伸缩杆水平插入连接套筒内，且在伸缩杆上设置有齿条，齿条与齿轮相啮合；GPS天线的一端固定在伸缩杆上，GPS天线的另一端固定在转盘上。一种移动机器人的自主路径规划与避障系统的使用方法，步骤如下：S1，设定移动机器人的移动目标点位置信息；S2，PC机从GPS定位模块处获取移动机器人的当前位置信息；S3，PC机将当前位置与Slam地图存储器内的地图信息进行比对，判断所处区域是否存在Slam地图；若存在Slam地图则进行步骤S4；否则，进行步骤S10；S4，PC机以目标点相对于当前位置的方向作为移动机器人的移动指引方向，并给定移动机器人相对于水平轴的移动夹角θa；移动夹角θa的计算公式为：其中，Ya为目标点的纵坐标值，Yo为当前位置的纵坐标值，Xa为目标点的横坐标值，Xo为当前位置的横坐标值；S5，PC机接收激光雷达模块的检测信息，判断移动机器人行进方向是否出现障碍物，若没有障碍物，则继续前进；若有障碍物，则进行步骤S6；S6，PC机将Slam地图分割成等距的正方形，并以移动机器人当前位置和目标点的连线作为切线，将Slam地图分为两个独立区域，分别为左区和右区；S7，设定移动机器人先行驶右区后行驶左区，并对每个正方形的阈值进行初始化；S8，获取避障路线；S8.1，PC机对初始化后Slam地图中的障碍物的边缘进行做圆，圆的半径为移动机器人的长度的一半；S8.2，从步骤S8.1中获取各圆之间的不相交点的位置信息；S8.3，将步骤S8.2中的不相交点形成的连线作为移动机器人的避障指引线；PC机使移动机器人以避障指引线为界，先从地图右区进行移动，若移动过程中，地图右区出现封闭，PC机使移动机器人返回并从地图左区进行移动，反之则继续前进，直至绕过障碍物并向目标点进一步前进；S9，重复步骤S5-步骤S8直至移动机器人到达目标点；S10，通过ROSGMapping构建Slam地图；S11，从构建的Slam地图中获取特征点；S11.1，将Slam地图分割为等大小的正方形图块；S11.2，计算每个正方形区域的复杂度Q，计算公式为：其中，a为正方形区域横坐标轴的起点，b为正方形区域横坐标轴的终点，Δθ为角度变化量，ya′为下一个状态的y坐标值，ya为当前状态的y坐标值，xa′为下一个状态的x坐标值，xa为当前状态的x坐标值；S11.3，将步骤S11.2中得到的各图块的复杂度进行排序，并将复杂度较大的图块标记为特征图块，特征图块内的点为特征点；S12，将Slam地图进行栅格化处理；S13，根据步骤S12中的地图，对移动机器人起点开始周围方格的移动消耗进行计算，计算公式为：F＝G+H；其中，G为从当前起点到附近点的移动消耗，H为从附近点到终点的移动消耗；以移动机器人当前位置为起点，将周围的8个非障碍物点存入可操作列表。遍历可操作列表。以当前列表中的点作为起点，搜索附近的8个点，如果存在障碍物的点或者被存入无法操作列表的点则忽略，将剩余点存入可操作列表，将当前起点作为该点的父节点，并将该点F，G，H值更新。如果它已经在可操作列表中，对比由起点到该点的G值是否小于该点G值，如果起点到该点G值较小，把它的父节点设置为当前方格，并重新计算它的G和F值。遍历以上过程，直到将目标点存入可操作列表。此时通过父节点向上递推得到的路径就是最短路径。S14，从步骤S13中选取移动消耗最小值，则移动消耗最小值对应的路径作为移动机器人的目标路径；S15，移动机器人按照目标路径进行移动，当移动至第一个特征点时，PC机获取当前GPS信息并与特征点所对应的GPS信息进行比对；若误差小于预定误差，则移动机器人直接使用GPS信号为基准并按照目标路径进行巡航到达目标点；若误差大于预定误差，则进行下一步对目标路径进行修正；S16，移动机器人以Slam地图为基准，并将Slam地图中存储的特征点的GPS信息代替GPS定位模块中的信息，以当前位置为新起点，并重复步骤S12-S15重新规划目标路径，直至到达目标点。本专利技术中的避障系统是通过GPS定位模块获取移动机器人所在处的位置信息。电子罗盘模块获取移动机器人的相对方位，里程计模块将获取机器人的移动距离，利用航位推算法不需外界环境信息，由PC机推断移动机器人所处的位姿信息。随着时间的推进固定间隔进行GPS位置校正。PC机解算出移动机器人当前位姿属性，结合GPS定位模块获得的位置信息实现机器人的位置信息获取。激光雷达对前方进行实时扫描，PC机将激光雷达返回的信息通过Slam算法构图，以Slam构图与GPS定位为基础，当重新观察到相匹配的特征时机器人的位姿和地图特征位置被更新。同时激光雷达也能起到避障的功能。且本专利技术通过传感器的信息融合，使机器人的定位精度得到了提升；弥补了传统的惯性导航系统和GPS导航系统的部分缺点，使机器人能够适应更加复杂的环境条件。同时系统的自主性使机器人能够更好的解放劳动力，提高工作效率。附图说明为了更清楚地说明本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种移动机器人的自主路径规划与避障系统，其特征在于：包括移动机器人、PC机、GPS定位模块、激光雷达模块、电子罗盘模块和里程计模块；GPS定位模块、激光雷达模块、电子罗盘模块和里程计模块均安装在移动机器人上，GPS定位模块用于获取移动机器人所处的位置信息并传输至PC机内，电子罗盘模块用于获取移动机器人的相对方位并传输至PC机内；里程计模块获取移动机器人的移动距离并传输至PC机内；激光雷达模块用于对移动机器人前方实时扫描并将扫描信息传输至PC机内，PC机将接收到的信息进行融合处理并发送控制命令给移动机器人，移动机器人根据控制指令进行移动。

【技术特征摘要】
1.一种移动机器人的自主路径规划与避障系统，其特征在于：包括移动机器人、PC机、GPS定位模块、激光雷达模块、电子罗盘模块和里程计模块；GPS定位模块、激光雷达模块、电子罗盘模块和里程计模块均安装在移动机器人上，GPS定位模块用于获取移动机器人所处的位置信息并传输至PC机内，电子罗盘模块用于获取移动机器人的相对方位并传输至PC机内；里程计模块获取移动机器人的移动距离并传输至PC机内；激光雷达模块用于对移动机器人前方实时扫描并将扫描信息传输至PC机内，PC机将接收到的信息进行融合处理并发送控制命令给移动机器人，移动机器人根据控制指令进行移动。2.根据权利要求1所述的移动机器人的自主路径规划与避障系统，其特征在于：在移动机器人上还设置有GPS信号加强组件，GPS信号加强组件包括GPS天线(1)、竖杆(2)、旋转电机Ⅰ(3)、伸缩杆(4)和旋转电机Ⅱ(5)，旋转电机Ⅰ(3)安装在移动机器人上，且旋转电机Ⅰ(3)的输出轴上固定有转盘，在转盘上固定有旋转电机Ⅱ(5)，旋转电机Ⅱ(5)的输出轴与竖杆(2)连接，竖杆(2)的上部垂直插入连接套筒内，且在竖杆(2)顶部安装有齿轮；伸缩杆(4)水平插入连接套筒内，且在伸缩杆(4)上设置有齿条，齿条与齿轮相啮合；GPS天线(1)的一端固定在伸缩杆(4)上，GPS天线(1)的另一端固定在转盘上。3.根据权利要求1或2所述的移动机器人的自主路径规划与避障系统的使用方法，其特征在于，步骤如下：S1，设定移动机器人的移动目标点位置信息；S2，PC机从GPS定位模块处获取移动机器人的当前位置信息；S3，PC机将当前位置与Slam地图存储器内的地图信息进行比对，判断所处区域是否存在Slam地图；若存在Slam地图则进行步骤S4；否则，进行步骤S10；S4，PC机以目标点相对于当前位置的方向作为移动机器人的移动指引方向，并给定移动机器人相对于水平轴的移动夹角θa；移动夹角θa的计算公式为：其中，Ya为目标点的纵坐标值，Yo为当前位置的纵坐标值，Xa为目标点的横坐标值，Xo为当前位置的横坐标值；S5，PC机接收激光雷达模块的检测信息，判断移动机器人行进方向是否出现障碍物，若没有障碍物，则继续前进；若有障碍物，则进行步骤S6；S6，PC机将Slam地图分割成等距的正方形，并以移动机器人当前位置和目标点的连线作为切线，将Slam地图分为两个独立区域，分别为左区和右区；S7，设定移动机器人先行驶右区后行驶左区，并对每个正方形的阈值进行初始化；...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡磊，张利伟，雷进辉，张琛，李国厚，罗培恩，孙才华，
申请(专利权)人：河南科技学院，
类型：发明
国别省市：河南,41