本發(fā)明屬于機器人定位技術領域，特別是涉及一種機器人基于ROS和GPS的室內(nèi)外無縫定位方法和定位系統(tǒng)。

背景技術：

移動機器人是一種可在復雜環(huán)境下工作，具有自規(guī)劃、自組織、自適應能力的機器人，具有行動快捷、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可控性強、安全性好等優(yōu)勢，目前在國內(nèi)外正在被廣泛的應用。

在移動機器人相關技術研究中，導航技術屬于其核心技術，也是實現(xiàn)智能化和自主移動的關鍵技術。目前常見的導航方式有電磁導航、慣性導航、視覺導航、無線導航、衛(wèi)星導航、傳感器數(shù)據(jù)導航等等。

無線導航：如專利號201510709583.X公開的一種室內(nèi)機器人定位系統(tǒng)，所述定位系統(tǒng)包括定位模塊、工控機模塊、PLC模塊和移動模塊，其中：所述定位模塊包括RFID讀寫器、RFID標簽、無線網(wǎng)絡和機器人，所述RFID標簽作為定位參考點，所述RFID標簽等距地鋪滿整個機器人運動平面，所述RFID讀寫器置于所述機器人底部，并與所述無線網(wǎng)絡相連，所述無線網(wǎng)絡作為通信載體，所述RFID標簽接收距離20cm內(nèi)的RFID讀寫器發(fā)來的射頻信息，經(jīng)過調(diào)制、解碼進行判斷，將存儲的位置信息發(fā)出去，實現(xiàn)反饋，所述RFID讀寫器接收反饋信息并將之傳遞給所述工控機模塊。

傳感數(shù)據(jù)導航：如專利號201510784502.2公開的一種機器人的地圖創(chuàng)建及定位方法，所述包括以下步驟，S1：機器人采集傳感器數(shù)據(jù)；S2：機器人將傳感器數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡發(fā)送至云端服務器；S3：云端服務器根據(jù)接收到的傳感器數(shù)據(jù)創(chuàng)建地圖及生成機器人定位信息；S4：云端服務器將地圖信息及定位信息通過無線網(wǎng)絡發(fā)送至機器人和用戶終端。

對于以上傳統(tǒng)的導航方式或多或少存在著一些弊端，電磁導航靈活性差，定位不準確，智能性不高且大面積磁條鋪設維護成本高。

衛(wèi)星導航多用于機器人的室外導航，然而機器人在室內(nèi)時，因為沒有GPS信號不能定位，主要依靠室內(nèi)導航技術，但是室內(nèi)導航技術進入到室外后便不再適用，因而機器人從室內(nèi)行走到室外或從室外行走到定內(nèi)，將無法準確獲取機器人的位置。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種機器人基于ROS和GPS的室內(nèi)外無縫定位方法和定位系統(tǒng)，本發(fā)明實現(xiàn)了機器人從室內(nèi)到室外或從室外到室內(nèi)都能無縫切換導航模式，即實現(xiàn)了機器人從室內(nèi)到室外或從室外到室內(nèi)導航的無縫拼接，機器人室內(nèi)導航模式與室外的GPS導航模式的無縫切換，以獲取機器人行走在室內(nèi)或室外的位置，以對機器人行走進行路徑規(guī)劃，定位準確，不會出現(xiàn)機器人位置丟失等的情況。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種機器人基于ROS和GPS的室內(nèi)外無縫定位方法，包括如下步驟：

步驟一、微型主機內(nèi)安裝ROS操作系統(tǒng)，利用ROS操作系統(tǒng)配合點云算法把采集到的攝像頭環(huán)境數(shù)據(jù)生成二維點云數(shù)據(jù)，并利用gmapping框架和粒子濾波算法進行局部優(yōu)化建立室內(nèi)導航地圖和由室內(nèi)向室外延伸一段距離的室外導航地圖，由室內(nèi)導航地圖和室外導航地圖組成二維導航地圖，并將二維導航地圖保存至微型主機內(nèi)；

步驟二、由室外到室內(nèi)的入口處張貼ar_marker，利用攝像頭掃描ar_marker，以獲取ar_marker的ID信息和相對于機器人的姿態(tài)信息，同時設定ar_marker在二維導航地圖中的坐標并保存至微型主機內(nèi)；

步驟三、機器人在室內(nèi)行走時通過室內(nèi)導航地圖獲取機器人在室內(nèi)的位置；

步驟四、機器人由室內(nèi)行走到室外導航地圖范圍內(nèi)時，通過室外導航地圖獲取機器人在此范圍內(nèi)的位置同時在室外導航地圖范圍內(nèi)能保證室內(nèi)導航模式切換到室外的GPS模式，使得機器人行走在室外導航地圖范圍外時，通過GPS獲取機器人在室外的位置；

步驟五、機器人由室外行走到室內(nèi)時，通過攝像頭掃描入口處張貼的ar_marker，識別ar_marker并從微型主機內(nèi)調(diào)取ar_marker的姿態(tài)信息和ar_marker在二維導航地圖中的坐標；

步驟六、將ar_marker在二維導航地圖中的坐標初始化為機器人的初始化坐標，并由室外的GPS模式切換到室內(nèi)導航模式，使得機器人進入室內(nèi)后通過室內(nèi)導航地圖獲取機器人在室內(nèi)的位置。

進一步地，在步驟三中，機器人在室內(nèi)行走過程中，微型主機的ROS操作系統(tǒng)將攝像頭采集到的室內(nèi)環(huán)境中的物體信息轉(zhuǎn)換成三維點云數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)化成二維點云數(shù)據(jù)，以得到攝像頭相對于物體的距離，當攝像頭相對于物體的距離在障礙物范圍內(nèi)時，通過微處理器改變底座上驅(qū)動電機的PWM以控制機器人減速行駛并轉(zhuǎn)向繞開障礙物。

進一步地，在步驟三中，機器人在室內(nèi)行走過程中，碰撞檢測單元檢測攝像頭掃描不到的區(qū)域是否有低障礙物，紅外懸空檢測單元檢測路面是否有深坑，碰撞檢測單元和紅外懸空檢測單元分別將檢測數(shù)據(jù)通過微處理器發(fā)送給微型主機，微型主機內(nèi)的ROS操作系統(tǒng)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)繞開障礙物。

進一步地，在步驟四中，機器人由室內(nèi)行走到室外導航地圖范圍內(nèi)時，微型主機發(fā)送請求與機器人上的GPS單元建立通訊，同時在室內(nèi)導航地圖延伸到室外的范圍內(nèi)能保證微型主機與GPS單元建立通訊，以將室內(nèi)導航模式切換到室外的GPS模式，GPS單元獲取定位數(shù)據(jù)，微型主機接收GPS單元發(fā)送的定位數(shù)據(jù)。

進一步地，在室外建立區(qū)域基準站，區(qū)域基準站上的GPS接收器接收GPS數(shù)據(jù)，區(qū)域基準站上的微控制單元根據(jù)GPS數(shù)據(jù)和區(qū)域基準站的經(jīng)緯度坐標偏差計算定位修正數(shù)，并將定位修正數(shù)發(fā)送給服務器，服務器將定位修正數(shù)同步發(fā)送給微型主機，微型主機根據(jù)GPS單元接收的GPS數(shù)據(jù)結(jié)合定位修正數(shù)，以定位機器人在室外的位置。

進一步地，在步驟四中，機器人在室外行走過程中，微型主機的ROS操作系統(tǒng)將攝像頭采集到的室外環(huán)境中的物體信息轉(zhuǎn)換成三維點云數(shù)據(jù)，以得到攝像頭相對于空間三維物體的距離，當攝像頭相對于空間三維物體的距離在障礙物范圍內(nèi)時，通過微處理器改變底座上驅(qū)動電機的PWM以控制機器人減速行駛并轉(zhuǎn)向繞開障礙物。

進一步地，在步驟四中，機器人在室外行走過程中，碰撞檢測單元檢測攝像頭掃描不到的低空障礙物，紅外懸空檢測單元檢測路面是否有深坑，碰撞檢測單元和紅外懸空檢測單元分別將檢測數(shù)據(jù)通過微處理器發(fā)送給微型主機，微型主機內(nèi)的ROS操作系統(tǒng)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)繞開障礙物。

本發(fā)明還提供了一種采用所述室內(nèi)外無縫定位方法的定位系統(tǒng)，包括安裝于機器人上的微型主機、攝像頭和GPS單元，以及安裝于機器人底座上的驅(qū)動電機、微處理器、紅外懸空檢測單元和碰撞檢測單元，所述微型主機分別與所述攝像頭、GPS單元和微處理器相連接，所述微處理器分別與所述驅(qū)動電機、紅外懸空檢測單元和碰撞檢測單元相連接。

進一步地，所述定位系統(tǒng)還包括區(qū)域基準站和服務器，所述區(qū)域基準站上設置有包括GPS接收器和微控制單元，所述GPS接收器與所述微控制單元相連接，所述微控制單無與所述服務器網(wǎng)絡通訊，所述服務器與所述微型主機網(wǎng)絡通訊。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明的機器人從室內(nèi)行走到室外時，通過室內(nèi)導航地圖延伸到室外導航地圖的范圍內(nèi)能確保機器人從室內(nèi)導航模式切換到室外的GPS模式，以實現(xiàn)機器人從室內(nèi)到室外導航模式的無縫切換。而當機器人從室外行走到定內(nèi)時，通過入口處的ar_marker對機器人位置初始化，以重新定位機器人進入室內(nèi)時的起始位置，保證了機器人不會從室外到室內(nèi)丟失自己的位置，同時保障重新回到室內(nèi)能準確的進行室內(nèi)導航。

2、本發(fā)明在室外建立有區(qū)域基準站，通過區(qū)域基準站上的GPS接收器接收GPS數(shù)據(jù)，以通過微控制單元根據(jù)GPS數(shù)據(jù)和區(qū)域基準站的經(jīng)緯度坐標偏差計算定位修正數(shù)，并將定位修正數(shù)發(fā)送給服務器，服務器將定位修正數(shù)同步發(fā)送給微型主機，微型主機根據(jù)GPS單元接收的GPS數(shù)據(jù)結(jié)合定位修正數(shù)，以定位機器人在室外的位置，從而大大提高了機器人在室外的定位精度，以實現(xiàn)更好的室外定位。

3、本發(fā)明通過攝像頭結(jié)合紅外懸空檢測單元和碰撞檢測單元實現(xiàn)了機器人室內(nèi)行走和室外行走過程中，機器人有效壁障的功能，提高了機器人行走過程中的安全性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對發(fā)明進一步說明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

實施例

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種機器人基于ROS和GPS的室內(nèi)外無縫定位方法，包括如下步驟：

步驟一、微型主機內(nèi)安裝ROS操作系統(tǒng)，利用ROS操作系統(tǒng)配合點云算法把采集到的攝像頭環(huán)境數(shù)據(jù)生成二維點云數(shù)據(jù)，并利用gmapping框架和粒子濾波算法進行局部優(yōu)化建立室內(nèi)導航地圖和由室內(nèi)向室外延伸一段距離的室外導航地圖，由室內(nèi)導航地圖和室外導航地圖組成二維導航地圖，并將二維導航地圖保存至微型主機內(nèi)；

步驟二、由室外到室內(nèi)的入口處張貼ar_marker，利用攝像頭掃描ar_marker，以獲取ar_marker的ID信息和相對于機器人的姿態(tài)信息，同時設定ar_marker在二維導航地圖中的坐標并保存至微型主機內(nèi)；

步驟三、機器人在室內(nèi)行走時通過室內(nèi)導航地圖獲取機器人在室內(nèi)的位置；

步驟四、機器人由室內(nèi)行走到室外導航地圖范圍內(nèi)時，通過室外導航地圖獲取機器人在此范圍內(nèi)的位置同時在室外導航地圖范圍內(nèi)能保證室內(nèi)導航模式切換到室外的GPS模式，使得機器人行走在室外導航地圖范圍外時，通過GPS獲取機器人在室外的位置；

步驟五、機器人由室外行走到室內(nèi)時，通過攝像頭掃描入口處張貼的ar_marker，識別ar_marker并從微型主機內(nèi)調(diào)取ar_marker的姿態(tài)信息和ar_marker在二維導航地圖中的坐標；

步驟六、將ar_marker在二維導航地圖中的坐標初始化為機器人的初始化坐標，并由室外的GPS模式切換到室內(nèi)導航模式，使得機器人進入室內(nèi)后通過室內(nèi)導航地圖獲取機器人在室內(nèi)的位置。

在步驟三中，機器人在室內(nèi)行走過程中，微型主機的ROS操作系統(tǒng)將攝像頭采集到的室內(nèi)環(huán)境中的物體信息轉(zhuǎn)換成三維點云數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)化成二維點云數(shù)據(jù)，以得到攝像頭相對于物體的距離，當攝像頭相對于物體的距離在障礙物范圍內(nèi)時，通過微處理器改變底座上驅(qū)動電機的PWM以控制機器人減速行駛并轉(zhuǎn)向繞開障礙物。

在步驟三中，機器人在室內(nèi)行走過程中，碰撞檢測單元檢測攝像頭掃描不到的區(qū)域是否有低障礙物，紅外懸空檢測單元檢測路面是否有深坑，碰撞檢測單元和紅外懸空檢測單元分別將檢測數(shù)據(jù)通過微處理器發(fā)送給微型主機，微型主機內(nèi)的ROS操作系統(tǒng)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)繞開障礙物。

在步驟四中，機器人由室內(nèi)行走到室外導航地圖范圍內(nèi)時，微型主機發(fā)送請求與機器人上的GPS單元建立通訊，同時在室內(nèi)導航地圖延伸到室外的范圍內(nèi)能保證微型主機與GPS單元建立通訊，以將室內(nèi)導航模式切換到室外的GPS模式，GPS單元獲取定位數(shù)據(jù)，微型主機接收GPS單元發(fā)送的定位數(shù)據(jù)。

在室外建立區(qū)域基準站，區(qū)域基準站上的GPS接收器接收GPS數(shù)據(jù)，區(qū)域基準站上的微控制單元根據(jù)GPS數(shù)據(jù)和區(qū)域基準站的經(jīng)緯度坐標偏差計算定位修正數(shù)，并將定位修正數(shù)發(fā)送給服務器，服務器將定位修正數(shù)同步發(fā)送給微型主機，微型主機根據(jù)GPS單元接收的GPS數(shù)據(jù)結(jié)合定位修正數(shù)，以定位機器人在室外的位置。

在步驟四中，機器人在室外行走過程中，微型主機的ROS操作系統(tǒng)將攝像頭采集到的室外環(huán)境中的物體信息轉(zhuǎn)換成三維點云數(shù)據(jù)，以得到攝像頭相對于空間三維物體的距離，當攝像頭相對于空間三維物體的距離在障礙物范圍內(nèi)時，通過微處理器改變底座上驅(qū)動電機的PWM以控制機器人減速行駛并轉(zhuǎn)向繞開障礙物。

在步驟四中，機器人在室外行走過程中，碰撞檢測單元檢測攝像頭掃描不到的低空障礙物，紅外懸空檢測單元檢測路面是否有深坑，碰撞檢測單元和紅外懸空檢測單元分別將檢測數(shù)據(jù)通過微處理器發(fā)送給微型主機，微型主機內(nèi)的ROS操作系統(tǒng)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)繞開障礙物。

本發(fā)明還提供了一種采用所述室內(nèi)外無縫定位方法的定位系統(tǒng)，包括安裝于機器人上的微型主機、攝像頭和GPS單元，以及安裝于機器人底座上的驅(qū)動電機、微處理器、紅外懸空檢測單元和碰撞檢測單元，所述微型主機分別與所述攝像頭、GPS單元和微處理器相連接，所述微處理器分別與所述驅(qū)動電機、紅外懸空檢測單元和碰撞檢測單元相連接。

本發(fā)明的所述定位系統(tǒng)還包括區(qū)域基準站和服務器，所述區(qū)域基準站上設置有包括GPS接收器和微控制單元，所述GPS接收器與所述微控制單元相連接，所述微控制單無與所述服務器網(wǎng)絡通訊，所述服務器與所述微型主機網(wǎng)絡通訊。

本發(fā)明的機器人從室內(nèi)行走到室外時，通過室內(nèi)導航地圖延伸到室外導航地圖的范圍內(nèi)能確保機器人從室內(nèi)導航模式切換到室外的GPS模式，以實現(xiàn)機器人從室內(nèi)到室外導航模式的無縫切換。而當機器人從室外行走到定內(nèi)時，通過入口處的ar_marker對機器人位置初始化，以重新定位機器人進入室內(nèi)時的起始位置，保證了機器人不會從室外到室內(nèi)丟失自己的位置，同時保障重新回到室內(nèi)能準確的進行室內(nèi)導航。

本發(fā)明在室外建立有區(qū)域基準站，通過區(qū)域基準站上的GPS接收器接收GPS數(shù)據(jù)，以通過微控制單元根據(jù)GPS數(shù)據(jù)和區(qū)域基準站的經(jīng)緯度坐標偏差計算定位修正數(shù)，并將定位修正數(shù)發(fā)送給服務器，服務器將定位修正數(shù)同步發(fā)送給微型主機，微型主機根據(jù)GPS單元接收的GPS數(shù)據(jù)結(jié)合定位修正數(shù)，以定位機器人在室外的位置，從而大大提高了機器人在室外的定位精度，以實現(xiàn)更好的室外定位。

本發(fā)明通過攝像頭結(jié)合紅外懸空檢測單元和碰撞檢測單元實現(xiàn)了機器人室內(nèi)行走和室外行走過程中，機器人有效壁障的功能，提高了機器人行走過程中的安全性。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。