智能空间与护士机器人多传感器系统技术方案

本实用新型专利技术公开了智能空间和护士机器人多传感器系统，它包括机载PC，机载PC分别与用户计算机和下位机控制器双向连接，机载PC还分别与避障传感器，定位传感器和视觉传感器双向连接。本实用新型专利技术建立了基于分布式数据融合树的多模式信息获取机制，并针对信息获取的不同层次，设计了与之相适应的数据融合算法，实现了对智能空间分布式传感器数据的多级别、多层次处理，使服务机器人和智能空间具备了多模式的信息获取能力，实现了更加丰富的信息服务和共享。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种智能空间与护士机器人多传感器系统。
技术介绍
智能空间中存在大量的分布式传感器，它们为智能空间提供了丰富的异构信息。 为了充分利用智能空间中无所不在的服务和资源，必须建立与之相适应的信息模型表示方法。这种模型使智能空间和服务机器人系统能够具备多模式的信息获取能力，实现更加丰富的信息服务和共享。而在传统模式下，服务机器人与传感设备是一对一和直接占有的关系，且机器人和计算环境是固定的，这种模式限制了信息的互通和共享，难以满足智能空间的需求。智能空间的信息服务不仅局限于原始信号的层面，而是通过对多传感器的数据融合能够给出多层次的信息。多传感器信息融合是多模式信息获取的基础，它把分布在机器人和智能空间中的多个同构或异构传感器所提供的不完整、不确定的信息加以融合，从而获取更准确、更完备的环境信息。一个完整的信息融合系统包含信息融合的功能模型、融合层次、融合的拓扑结构、适当的融合方法等多个方面，而当前对于该课题的研究主要集中在不同的融合算法及其改进上，如何为智能空间设计合理的信息融合模型，选择高效的信息融合算法和系统学习算法，并为智能空间提供多模式的信息获取机制尚少有研究。
技术实现思路
为弥补传统信息获取技术的不足，本技术提供一种用于智能空间和护士机器人多传感器系统。为实现上述目的，本技术采用如下技术方案智能空间与护士机器人多传感器系统，它包括机载PC，机载PC分别与用户计算机和下位机控制器双向连接，机载PC还分别与避障传感器，定位传感器和视觉传感器双向连接。所述避障传感器包括红外传感器、超声波传感器和激光传感器；其中，红外传感器和超声波传感器为底层避障传感器；红外传感器为NPN常开型传感器，检测前方一定距离内的障碍物有无；超声波传感器支持2个声纳环，每个环有8个超声波换能器，用于障碍物检测、距离检测和自动避障，环境建模，定位和导航；每个声纳环位置固定两侧各有一个，另外6个以20°间隔分布在侧边；激光传感器具有方向性好，分辨率高，探测距离远的优势；且由于激光不会发生漫反射，传感器获得的数据准确可靠，能对机器人前方的环境进行精确的描述，便于建立分辨率高的栅格地图；红外、超声和激光结合相互补充，构成冗余传感器系统，实现机器人前方远、中、近全距离覆盖，保障机器人运行的安全可靠，实现服务机器人的无障碍行走。所述定位传感器包括光学编码器，惯性导航模块；其中光学编码器机器人的每个电机上均装有光学编码器，用于机器人定位、速度测量；惯性导航模块主要有两个任务精确测量机器人的运动状态和姿态；提供错误诊断能力。所述视觉传感器为CCD摄像机，用于目标物品的识别定位和机器人的避障、导航。有益效果智能空间改变了传统模式下机器人与设备间一对一的占有方式，使得计算资源和各种设备趋向公用和共享化。为了充分利用这些无所不在的服务和资源，本技术利用改进的JDL模型，构建了智能空间下的多模式信息表示模型。该模型将QR Code、RFID等不同种类、不同形式的异构信息用统一的规范表示出来，实现了信息的互通和共用。智能空间的计算能力使得信息的服务不仅局限于原始信号的层面，而是通过对多模式信号的数据融合能够给出更深层的信息。本技术建立了基于分布式数据融合树的多模式信息获取机制，并针对信息获取的不同层次，设计了与之相适应的数据融合算法，实现了对智能空间分布式传感器数据的多级别、多层次处理，使服务机器人和智能空间具备了多模式的信息获取能力，实现了更加丰富的信息服务和共享。附图说明图1护士机器人传感器系统；图2基于改进的JDL模型的智能空间信息表示；图3基于数据融合树的多模式信息获取模型；图4为服务机器人智能空间任务规划及质量评估流程图；图5为护士机器人病房巡视流程图；图6为传统信息获取模式的机器人定位效果图；图7分别和多信息获取模式下的机器人定位效果图；图8为输液瓶定位误差比较图；图9为不同模式下坠床报警的成功率示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本技术作进一步说明在智能空间模式下，存在着大量的传感设备和计算资源，且这些信息和计算资源都趋于公用和共享化。智能空间和服务机器人中的多传感器信息可分为(1)环境因子信息，包括温度、湿度和光照强度等环境参数。(2)地图信息，含静态地图信息，如楼宇格局、室内布局、大型家具的静态位置等； 动态地图信息包括人和可移动的物品的动态位置。(3)服务机器人定位导航信息。包括里程计、惯导模块、人工地标(Marfeizer)和分布式摄像机等提供的机器人位姿信息；以及激光、超声、摄像机等提供的障碍物信息；(4)监控目标信息。主要包含摄像机、惯导模块、人工标签等提供的病员行为、伤口状态和治疗设备的状态信息，本体摄像机提供的面部表情信息等。护士机器人是智能空间中重要的执行机构，而传感器系统作为服务机器人必不可少的部分，主要实现避障、导航和检测其他信息等功能。由图1可知，护士机器人具有丰富的传感器配置。按照传感器的功能不同，可将护士机器人的传感器系统分为以下几类1.避障传感器包括红外传感器、超声波传感器和激光传感器等。其中，红外传感器和超声波传感器为底层避障传感器。(1)红外传感器机器人配置的红外传感器的型号为E18-D80NK。该传感器为NPN常开型传感器，可以检测前方一定距离内的障碍物有无，量程在3-80cm可调。(2)超声波传感器护士机器人可以支持2个声纳环，每个环有8个超声波换能器，用于障碍物检测、 环境建模、机器人定位和导航。每个声纳环的位置是固定的两侧各有一个，另外6个以 20°间隔分布在侧边。这种声纳阵的布置可以为机器人提供360°无缝检测。声纳环采用查询方式进行信息读取，即每个环在同一时刻只有一个换能器处于激活状态。声纳的工作速度可调，默认设置为25Hz，测量距离为15cm至10m。声纳传感器选用了 SENSC0MP生产的 6500系列端面型传感器。(3)激光传感器与红外和超声传感器相比，激光传感器具有方向性好，分辨率高，探测距离远等优势。且由于激光不会发生漫反射，传感器获得的数据准确可靠，能对机器人前方的环境进行精确的描述，便于建立分辨率高的环境地图。激光传感器型号为URG-04LX-UG01，最大探测距离为0 5600mm，有效探测距离为0 4000mm，探测范围0 180度，角分辨率为0. 35度/条。红外、超声和激光相互补充，构成冗余传感器系统，可实现机器人前方的全范围覆盖，保障机器人运行的安全可靠，实现服务机器人的无障碍行走。2.定位传感器(1)光学编码器服务机器人的每个电机上装有高分辨率的光学编码器，用于机器人定位、速度测量以及更先进的计算。(2)惯性导航模块惯性测量单元的加入主要有两个任务精确测量机器人的运动状态和姿态；提供错误诊断能力。惯性导航模块采用ARM为主控制器，配置加速度传感器、陀螺仪和指南针，嵌入 μ C/0S-II嵌入式实时操作系统，采集三轴MEMS陀螺仪信号，采用Quaternion (四元数姿态表达式)，积分求得陀螺仪姿态角。同时采集三轴MEMS加速度计和三轴磁强计信号，利用大地磁场和重力磁场在地理坐标系和机体坐标系之间的方向余弦转换进行绝对角度解算，得到绝对姿态角。然后根据信号的变化频率实时改变滤波参数，随后对两次得到的姿态角进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．智能空间与护士机器人多传感器系统，其特征是，它包括机载ＰＣ，机载ＰＣ分别与用户计算机和下位机控制器双向连接，机载ＰＣ还分别与避障传感器，定位传感器和视觉传感器双向连接。

【技术特征摘要】
1.智能空间与护士机器人多传感器系统，其特征是，它包括机载PC，机载PC分别与用户计算机和下位机控制器双向连接，机载PC还分别与避障传感器，定位传感器和视觉传感器双向连接。2.如权利要求1所述的智能空间与护士机器人多传感器系统，其特征是，所述避障传感器包括红外传感器、超声波传感器和激光传感器；其中，红外传感器和超声波传感器为底层避障传感器；红外传感器为NPN常开型传感器，检测前方一定距离内的障碍物有无；超声波传感器支持2个声纳环，每个环有8个超声波换能器，用于障碍物检测、距离检测和自动避...

【专利技术属性】
技术研发人员：周风余，田国会，薛英花，尹建芹，张凯，王广奇，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：实用新型
国别省市：88