一种移动机器人导航系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及机器人技术领域。一种移动机器人导航系统，包括至少一个深度传感器，一惯性测量元件，至少一个轮式编码器和一主控板；深度传感器和惯性测量元件安装于移动机器人的底盘上并能观测到周围环境；主控板控制深度传感器和惯性测量元件启动和停止，运行处理深度传感器和惯性测量元件所采集到的数据。本发明专利技术中的移动机器人外侧搭载用于感知周边物体距离的深度传感器，且移动机器人上安装有惯性测量元件并与深度传感器保持固定位置姿态关系，有效利用了惯性传感器对短时姿态估计的有效性纠正了深度传感器的错误匹配，同时利用深度传感器的长时一致性为惯性传感器提供了偏差矫正途径，最终在低成本的前提下达到提高移动机器人导航精度的目的。

A mobile robot navigation system and method

The invention relates to the field of robot technology. A mobile robot navigation system, which consists of at least one depth sensor, an inertial measurement element, at least one wheel encoder and a main control board. The depth sensor and inertial measurement element are installed on the chassis of the mobile robot and can be observed in the surrounding environment; the main control plate control depth sensor and the inertial measurement element are started. Move and stop, run data processed by depth sensor and inertial measurement unit. The mobile robot on the outside of the invention carries the depth sensor which is used to perceive the distance of the surrounding object, and the mobile robot is installed with the inertial measurement element and maintains the fixed position relationship with the depth sensor. It effectively uses the inertia sensor to correct the error matching of the depth sensor by the effectiveness of the short-time attitude estimation. At the same time, using the long time consistency of the depth sensor, the deviation correction approach is provided for the inertial sensor, and the goal of improving the navigation precision of the mobile robot is achieved at the low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种移动机器人导航系统和方法
本专利技术涉及机器人
，具体涉及一种导航系统。
技术介绍
移动机器人是一种具有自行组织、自主运行、自划能力的智能机器人，融合了计算机技术、通信技术、微电子技术和机器人技术等现代技术。移动机器人可以代替人类完成一些工作，比如，家用扫地机器人可以辅助清扫室内卫生；工业AGV在工业环境，物流仓储中辅助货物的运输；在科学探索中，移动机器人可以独立完成环境探索，分析实验等工作。导航定位是移动机器人的核心技术问题，它是指移动机器人通过传感器感知环境信息和自身状态，实现在可变环境中的自主运动。随着其应用环境和移动方式的变化，移动机器人所用的传感器也有所不同，例如，视觉传感器、激光雷达、超声波传感器以及一些新型的深度传感器等。根据所选传感器的不同，移动机器人主要的导航方式包括：磁条导航、惯性导航、视觉导航、激光导航。采用磁条导航，要铺设的磁条数量大，施工量大，要经常更换磁条。采用视觉导航系统由于涉及到摄像头拍摄、图像处理、图像信息的获取等复杂技术，现有技术还不够完善，导致不实用，有可能信息获取错误，这对该导航系统的使用有影响。惯性导航会因移动机器人自身的姿态、加速度等问题而无法提供准确的位置信息，同时惯性导航的传感器通常都具有较大的漂移，测量结果误差随时间流逝而逐渐变大，这就给系统长期、正确的工作带来影响。激光导航的测量比较准确，但是其所用的激光雷达造价高昂、产量有限，不利于移动机器人大批量部署，而低价激光雷达可供处理的数据有限不能对环境做全面、有效的建模，这样在复杂、可变的环境不能有效工作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种移动机器人导航系统，解决以上至少一个技术问题。本专利技术的目的还在于，提供一种移动机器人导航方法，解决以上至少一个技术问题。本专利技术所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：一种移动机器人导航系统，其特征在于，包括至少一个深度传感器，一惯性测量元件，至少一个轮式编码器和一主控板；所述深度传感器和所述惯性测量元件安装于移动机器人的底盘上并能观测到周围环境；所述主控板控制所述深度传感器和所述惯性测量元件启动和停止，运行处理所述深度传感器和所述惯性测量元件所采集到的数据。所述深度传感器和所述惯性测量元件运行的数据帧率均高于60Hz。作为一种方案，所述主控板安装在所述移动机器人的本体上。作为另一种方案，所述主控板安装在一非移动机器人本体的载体上，通过通讯协议从所述深度传感器和所述惯性测量元件读取实时数据，并向所述深度传感器和所述惯性测量元件发送控制指令，所述控制指令由所述主控板的计算单元计算地图数据、位置数据生成。所述主控板上设置有存储器，所述存储器用于存储传感器数据、地图数据以及运行状态。所述惯性测量元件与所述深度传感器的相对位置保持固定。一种移动机器人导航方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，建立地图；步骤S2，定位；以及紧急避障功能。本专利技术的有益效果在于，移动机器人并没有构造和型号上的限制，其外侧搭载用于感知周边物体距离的深度传感器，同时，移动机器人上安装有惯性测量元件并与深度传感器保持固定位置姿态关系。同时使用深度传感器和惯性传感器，有效地利用了惯性传感器对短时姿态估计的有效性纠正了深度传感器的错误匹配，同时利用深度传感器的长时一致性为惯性传感器提供了偏差矫正途径，最终在低成本的前提下达到提高移动机器人导航精度的目的。附图说明图1为一种移动机器人导航系统的一种结构示意图；图2为一种移动机器人导航方法中建立地图的原理示意图；图3为一种移动机器人导航方法中定位的原理示意图；图4为一种移动机器人导航方法中紧急避障的原理示意图。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本专利技术。参照图1、图2、图3、图4，一种移动机器人导航系统，包括至少一个深度传感器，一惯性测量元件，至少一个轮式编码器和一主控板；深度传感器和惯性测量元件安装于移动机器人的底盘上并能观测到周围环境；主控板控制深度传感器和惯性测量元件启动和停止，运行处理深度传感器和惯性测量元件所采集到的数据。深度传感器和惯性测量元件运行的数据帧率均高于60Hz。作为一种方案，主控板安装在移动机器人的本体上。作为另一种方案，主控板安装在一非移动机器人本体的载体上，通过通讯协议从深度传感器和惯性测量元件读取实时数据，并向深度传感器和惯性测量元件发送控制指令，控制指令由主控板的计算单元计算地图数据、位置数据生成。主控板上设置有存储器，存储器用于存储传感器数据、地图数据以及运行状态。惯性测量元件与深度传感器的相对位置保持固定。实施例一种移动机器人导航方法，包括以下步骤：步骤S1，建立地图；步骤S2，定位；以及紧急避障功能。1)建立地图如图2所示，建立地图时融合滤波器读入深度传感器数据、IMU数据以及轮式编码器数据，对上述数据进行时间配准。深度数据运行于90Hz，IMU数据运行于100Hz，轮式编码器数据传输速率在5KHz。时钟配准系统以深度数据为基准，对IMU数据，轮式编码器数据在相应的时间点做外推，外推的方法包括重复复制，滑动平均，样条函数或者卡尔曼外推等。配准后的数据，通过融合滤波器，其以前后帧观测数据的一致性为约束，即假设对视野中的大部分物体而言，前后帧都会看到同样的物体，因而对于所观察到的相应的点在测量数据中的变化仅仅由移动机器人的移动造成。在一个1280x720的深度图像数据中，每一个图像点都有对应的下一帧数据与之对应，故而可以使用最小二乘估计计算相应的R和T；然而一般来说，深度传感器的测量噪声比较大，造成前后帧匹配失败或者匹配的误差比较大，此时可以加入IMU的数据作为姿态运动约束或者作为求值的初始值以获得足够精度的转换公式。在建图时的每一帧数据上都做上述的姿态、位置估计并将相应的深度数据点和位置姿态数据存储于存储器中即可得到移动机器人运行地图。一般的，建图过程还包括一个回环检测过程，将所有已有地图数据中的深度数据、位姿数据一起做前述之最小二乘优化以平滑中间的误差。2)定位如图3所示，移动机器人运行于定位状态时，对相关的深度数据、IMU数据以及轮式编码器数据进行时钟配准，而后使用融合滤波器估计姿态位置变化，通过查询地图数据库完成定位。查询地图数据库包括以下步骤：(1)以位置姿态作为搜索条件进行粗检；(2)在粗检结果中通过匹配深度数据并插值以得到最终的位置姿态。3)紧急避障如图4所示，由于深度传感器运行于较高帧率，因而可以对环境变化给予快速的响应可以使用该特性让机器人紧急停止以完成紧急避障功能。对每帧读取的深度数据，检测其运行方向上的数据点，如果有距离较近的点即可认为其为障碍物。以上显示和描述了本专利技术的基本原理和主要特征和本专利技术的优点。本行业的技术人员应该了解，本专利技术不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本专利技术的原理，在不脱离本专利技术精神和范围的前提下，本专利技术还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本专利技术范围内。本专利技术要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种移动机器人导航系统，其特征在于，包括至少一个深度传感器，一惯性测量元件，至少一个轮式编码器和一主控板；所述深度传感器和所述惯性测量元件安装于移动机器人的底盘上并能观测到周围环境；所述主控板控制所述深度传感器和所述惯性测量元件启动和停止，运行处理所述深度传感器和所述惯性测量元件所采集到的数据。

【技术特征摘要】
1.一种移动机器人导航系统，其特征在于，包括至少一个深度传感器，一惯性测量元件，至少一个轮式编码器和一主控板；所述深度传感器和所述惯性测量元件安装于移动机器人的底盘上并能观测到周围环境；所述主控板控制所述深度传感器和所述惯性测量元件启动和停止，运行处理所述深度传感器和所述惯性测量元件所采集到的数据。2.根据权利要求1所述的一种移动机器人导航系统，其特征在于：所述深度传感器和所述惯性测量元件运行的数据帧率均高于60Hz。3.根据权利要求1所述的一种移动机器人导航系统，其特征在于：所述主控板安装在所述移动机器人的本体上。4.根据权利要求1所述的一种移动机器人导航系统，其特征在于：所述主控板安装在一非移动机器人本体的载体上，通过通讯协议从所述深度传感器和所述惯性测量元件读取实时数据，并向所述深度传感器和所述惯性测量元件发送控制指令，所述控制指令由所述主控板的计算单元计算地图数据、位置数据生成。5.根据权利要求1所述的一种移动机器人导航系统，其特征在于：所述主控板上设置有存储器，所述存储器用于存储传感器数据、地图数据以及运行状态。6.根据权利要求1所述的一种移动机器人导航系统，其特征在于：所述惯性测量元件与所述深度传感器的相对位置保持固定。7.一种移动机器人导航方法，其特征在于，包括以...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩龙，陈果，李扬，杜晨阳，
申请(专利权)人：上海深视信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31