一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導航系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及機器人導航技術領域，具體是一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導航系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]近年來隨著傳感器等技術的進步，智能機器人系統(tǒng)開始應用在服務行業(yè)中，開辟了機器人自主服務的新領域，在移動機器人導航控制理論和方法研宄中，確定性環(huán)境的導航控制方法已經(jīng)取得了大量的研宄和應用成果。對未知環(huán)境中的導航控制也開展了一些研宄，并提出了若干方法，但是尚未形成統(tǒng)一和完善的體系結構，還有許多關鍵理論和技術問題有待解決與完善。這些問題包括環(huán)境的建模、定位、導航控制器的學習與優(yōu)化、故障診斷以及路徑規(guī)劃等。未知環(huán)境中的移動機器人只具有較少的先驗知識，其導航控制方法涉及環(huán)境認知、優(yōu)化策略、知識表示與獲取等多項關鍵問題。對移動機器人在未知環(huán)境中導航理論和方法的研宄，將推動認知科學、模式識別、非線性控制等前沿學科的研宄，帶動航天、海洋、軍事、建筑、交通、工業(yè)和服務業(yè)等領域移動機器人導航控制系統(tǒng)的研宄開發(fā)，為無人勘探車、無人排險車和無人運輸車等用于航天、軍事、深海作業(yè)和核工業(yè)領域的移動機器人系統(tǒng)的應用奠定理論和技術基礎。
[0003]在機器人系統(tǒng)中，自主導航是一項核心技術，是機器人研宄領域的重點和難點問題。在導航過程中，常常面臨無法預先知道、不可預測或動態(tài)變化的環(huán)境。移動機器人感知環(huán)境的手段通常是不完備的，傳感器給出的數(shù)據(jù)是不完全、不連續(xù)、不可靠的。因此，就需要我們根據(jù)具體情況的不同研宄出相應的應對策略，以適應不同的場景需求。
[0004]多傳感器數(shù)據(jù)融合技術形成于上世紀80年代，目前已成為研宄的熱點。它不同于一般信號處理，也不同于單個或多個傳感器的監(jiān)測和測量，而是對基于多個傳感器測量結果基礎上的更高層次的綜合決策過程。它可以把分布在不同位置的多個同類或不同類傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)資源加以綜合，采用計算機技術對其進行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補，降低其不確實性，獲得被測對象的一致性解釋與描述，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應的快速性和正確性，使系統(tǒng)獲得更充分的信息。
[0005]有鑒于傳感器技術的微型化、智能化程度提高，在信息獲取基礎上，多種功能進一步集成以致于融合，這是必然的趨勢。本導航系統(tǒng)融合了多傳感器數(shù)據(jù)融合技術等前沿學科理論，研宄成果將指導發(fā)明一種適用航天、軍事、深海作業(yè)和核工業(yè)領域等應用領域的新型導航系統(tǒng)。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導航系統(tǒng)，它配備了多種傳感器，通過特殊的地圖構建、自助定位、路徑規(guī)劃來實現(xiàn)導航任務；提高了信息獲取的有效性以及系統(tǒng)決策的實時性和正確性，以解決上述【背景技術】中提出的問題。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案:
[0008]一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導航系統(tǒng)，包括四大功能模塊:地圖構建模塊、定位模塊、計程模塊和路徑規(guī)劃模塊；地圖構建模塊是結合建筑圖、測量工作場地，通過環(huán)境建模軟件，人工生成柵格地圖的方式來描述；定位模塊則通過激光掃描傳感器測量出機器人與環(huán)境的相對位置，通過直線擬合求出機器人與墻壁的距離，然后經(jīng)過坐標變換得到機器人的全局坐標，實現(xiàn)定位功能；計程模塊采用常用的里程計，將計程數(shù)據(jù)和激光掃描測量數(shù)據(jù)融合形成導航數(shù)據(jù)流；路徑規(guī)劃模塊則采用了基于地圖的全局路徑規(guī)劃，將配備的激光掃描傳感器與超聲測距傳感器所測數(shù)據(jù)經(jīng)過融合算法對數(shù)據(jù)進行綜合分析，通過地圖構建、自助定位、路徑規(guī)劃來實現(xiàn)導航任務。
[0009]作為本發(fā)明進一步的方案:激光掃描傳感器與超聲測距傳感器所測數(shù)據(jù)都具有不同的優(yōu)先級，當數(shù)據(jù)被獲取以后，利用融合算法對數(shù)據(jù)進行優(yōu)先級的劃分，利用優(yōu)先級的高低進行數(shù)據(jù)融合。
[0010]作為本發(fā)明進一步的方案:超聲測距傳感器安裝在機器人底盤前部，作為避障和繞障行走測量單元。
[0011]作為本發(fā)明進一步的方案:激光掃描傳感器安裝在機器人頂部；作為精確定位和避障測量單元。
[0012]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明具有較為全面的信息獲取渠道，通過其獨特的信息處理方法，有效的避免了信息的冗余和矛盾，使得導航系統(tǒng)在實時性和準確率方面有明顯提升。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的硬件結構圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的地圖構建模塊結構圖。
[0015]圖3為本發(fā)明的定位模塊結構圖。
[0016]圖4為本發(fā)明的定位系統(tǒng)算法流程圖。
[0017]圖5為本系統(tǒng)的路徑規(guī)劃控制系統(tǒng)框圖。
[0018]圖6為本系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)融合算法結構圖。
【具體實施方式】
[0019]下面將結合本發(fā)明實施例，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0020]實施例1
[0021]本發(fā)明的硬件結構如圖1所示。利用傳感器信號采集處理板將各傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理，并結合環(huán)境感知應用程序API以及嵌入計算機的分析、處理完成導航定位，其中超聲測距傳感器作為避障和繞障行走測量單元，激光掃描傳感器作為精確定位和避障測量單元。
[0022]如圖2所示，結合建筑圖、測量工作場地，通過環(huán)境建模軟件模塊，人工生成柵格標注地圖。編寫地圖編輯軟件，將建筑圖輸入計算機，對建筑圖進行測量并在柵格圖上標注出來。形成包含工作環(huán)境結構(如墻壁，固定家具)信息的柵格地圖。該地圖是路徑規(guī)劃系統(tǒng)的輸入，同時也是導航定位系統(tǒng)的輸入。
[0023]如圖3所示，本系統(tǒng)以羅盤輸入方向建立機器人坐標系與全局坐標系轉換關系。激光掃描測量出機器人與環(huán)境的相對距離，通過直線擬合區(qū)分墻壁和一般障礙，求出機器人到墻壁的距離，通過機器人坐標變換，將機器人坐標距離轉換全局坐標，該全局坐標對應柵格地圖中的柵格從而實現(xiàn)機器人的定位，根據(jù)定位值和規(guī)劃路徑點序列的最小距離實現(xiàn)導航。
[0024]由于定位計算復雜、難以實現(xiàn)實時計算，為了加快導航速度，采用計程數(shù)據(jù)融合計算導航數(shù)據(jù)，如圖4所示，定位點之間的路徑定位計算采用計程算法。
[0025]圖5所示為路徑規(guī)劃控制系統(tǒng)框圖，在本系統(tǒng)中，超聲測距傳感器每20°安裝一個共安裝10個，覆蓋約180°，主要是提供超聲測距傳感器角度和障礙距離數(shù)據(jù)，然后由workfollow路徑控制系統(tǒng)實現(xiàn)避障和繞行功能。在其繞行過程中需導航定位，計程、柵格地圖等所有單元的實時配合。
[0026]圖6為采用的多傳感器數(shù)據(jù)融合算法結構圖。
[0027]避碰和精確定位的超聲測距傳感器的安裝方式:
[0028]在機器人底盤前部安裝一圈超聲測距傳感器作為避障和繞障行走測量單元。在超聲測距傳感器上方安裝激光掃描傳感器作為精確定位和避障測量單元，該激光掃描傳感器安裝位置必須充分考慮環(huán)境匹配相關性，如果工作環(huán)境不能滿足環(huán)境匹配要求，則激光掃描傳感器的精確定位作用將難以發(fā)揮，只能作避碰應用，建議安裝位置為抓取物品高度。
[0029]用于導航的激光掃描傳感器的安裝方式:
[0030]用作導航的激光掃描傳感器安裝在機器人頂部。高度應盡可能高一些，應能夠保證激光能夠掃描到環(huán)境中的墻壁。本發(fā)明的導航方案基于柵格體地圖路徑規(guī)劃的定位導航方式，因此采用結構化環(huán)境參數(shù)測量定位方式與整個路徑控制系統(tǒng)緊密配合。激光掃描傳感器安裝的高一些有利于結構化環(huán)境參數(shù)測量。另外有與采用的底盤設計方案與計程測量系統(tǒng)匹配有困難為了保證在計程出現(xiàn)不可預知風險時能夠實現(xiàn)機器人的導航和定位，采用結構化環(huán)境參數(shù)測量導航方案更為保險，基于上述兩個原因本系統(tǒng)采用環(huán)境參數(shù)測量方案。
[0031]對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發(fā)明內。
[0032]此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
【主權項】
1.一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導航系統(tǒng)，其特征在于，包括地圖構建模塊、定位模塊、計程模塊和路徑規(guī)劃模塊；地圖構建模塊是結合建筑圖、測量工作場地，通過環(huán)境建模軟件，人工生成柵格地圖；定位模塊則通過激光掃描傳感器測量出機器人與環(huán)境的相對位置，通過直線擬合求出機器人與墻壁的距離，然后經(jīng)過坐標變換得到機器人的全局坐標，實現(xiàn)定位功能；計程模塊采用常用的里程計，將計程數(shù)據(jù)和激光掃描測量數(shù)據(jù)融合形成導航數(shù)據(jù)流；路徑規(guī)劃模塊則采用了基于地圖的全局路徑規(guī)劃；將配備的激光掃描傳感器與超聲測距傳感器所測數(shù)據(jù)經(jīng)過融合算法對數(shù)據(jù)進行綜合分析，通過地圖構建、自助定位、路徑規(guī)劃來實現(xiàn)導航任務。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導航系統(tǒng)，其特征在于，所述激光掃描傳感器與超聲測距傳感器所測數(shù)據(jù)都具有不同的優(yōu)先級，當數(shù)據(jù)被獲取以后，利用融合算法對數(shù)據(jù)進行優(yōu)先級的劃分，利用優(yōu)先級的高低進行數(shù)據(jù)融合。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導航系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲測距傳感器安裝在機器人底盤前部，作為避障和繞障行走測量單元。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導航系統(tǒng)，其特征在于，所述激光掃描傳感器安裝在機器人頂部，作為精確定位和避障測量單元。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導航系統(tǒng)，包括地圖構建模塊、定位模塊、計程模塊和路徑規(guī)劃模塊；地圖構建模塊是結合建筑圖、測量工作場地，通過環(huán)境建模軟件，人工生成柵格地圖；定位模塊則通過激光掃描傳感器測量出機器人與環(huán)境的相對位置，求出機器人與墻壁的距離，經(jīng)過坐標變換得到機器人的全局坐標，實現(xiàn)定位功能；計程模塊將計程數(shù)據(jù)和激光掃描測量數(shù)據(jù)融合形成導航數(shù)據(jù)流；將傳感器所測數(shù)據(jù)經(jīng)過融合算法對數(shù)據(jù)進行綜合分析，通過地圖構建、自助定位、路徑規(guī)劃實現(xiàn)導航任務。本發(fā)明具有較為全面的信息獲取渠道，通過其獨特的信息處理方法，有效的避免了信息的冗余和矛盾，明顯提升實時性和準確率。
【IPC分類】G01C21-00
【公開號】CN104535061
【申請?zhí)枴緾N201510005806
【發(fā)明人】周旋, 孔令成, 趙江海
【申請人】常州先進制造技術研究所
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月6日