基于光電掃描的室內移動機器人位姿測量系統(tǒng)及測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種室內移動機器人位姿測量方法。特別是涉及一種基于光電掃描的 室內移動機器人位姿測量系統(tǒng)及測量方法。
【背景技術】
[0002] 室內移動機器人（AGV、移動加工平臺等）現已被廣泛應用于工業(yè)現場大部件裝配 領域。在工作過程中，人們需要對其位置及姿態(tài)進行實時測量。目前，移動機器人的三維坐 標及姿態(tài)測量方法主要分為兩類：航跡推測法和絕對定位法。航跡推測主要依靠里程計、 陀螺儀等內部本體感受傳感器，通過給定初始狀態(tài)，測量機器人相對于初始位姿的距離和 方向來確定機器人的位姿；絕對定位主要采用引導信標、主動或被動標識、地圖匹配或全球 定位系統(tǒng)進行位姿測量。相比二者，航跡推測法具有能夠不依賴外部設備自主提供測量數 據的優(yōu)勢，使機器人本體與測量系統(tǒng)構成統(tǒng)一整體，從而連續(xù)穩(wěn)定地輸出機器人自身的位 置及姿態(tài)信息，對本系統(tǒng)外的環(huán)境不造成任何的干擾。但由于航跡推測算法多基于積分運 算，其測量誤差會隨時間的積累被逐步放大，并存在數據漂移現象；絕對定位法通常會在空 間中布設一個或多個發(fā)射基站和接收裝置，并以接收裝置作為探測目標。通過發(fā)射基站向 測量空間發(fā)送不同形式的信號（光，聲，電磁等），在接收到這些信號后，接收裝置基于不同 的物理原理將它們進行處理整合并轉換為自身的位姿信息，或直接反射回發(fā)射基站由發(fā)射 端處理解算。絕對定位法的測量精度與時間不相關聯，沒有誤差累積及數據漂移現象，因此 通常具有較高的精度及穩(wěn)定性。但是鑒于移動機器人工作區(qū)域大，執(zhí)行任務復雜，為了確保 其高效流暢運行，需要在工作空間布設多個發(fā)射基站以保證測量范圍，對現場環(huán)境要求較 高。另外，在構建測量場的過程中，坐標系的建立及不同發(fā)射基站之間的全局定向步驟相對 繁瑣。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種用于在無法進行多基站交會測量的工業(yè) 環(huán)境中的移動機器人的基于光電掃描的室內移動機器人位姿測量系統(tǒng)及測量方法。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術方案是：一種基于光電掃描的室內移動機器人位姿測量系 統(tǒng)，包括有移動機器人，所述的移動機器人上設置有激光發(fā)射站，所述的激光發(fā)射站的周邊 設置有至少3個用于接收激光發(fā)射站所發(fā)出的光信號的接收器，還設置有至少1個與所述 的接收器相連用于對所述的接收器所接收的信號進行處理確定接收器在測量空間內激光 發(fā)射站坐標系下的精確坐標的信號處理器，以及與所述的信號處理器無線連接通過確定激 光發(fā)射站到各個接收器之間的距離來確定移動機器人的姿態(tài)角度和移動機器人的位置的 終端計算機。
[0005] 每一個信號處理器連接有3~8個接收器。
[0006] -種基于光電掃描的室內移動機器人位姿測量系統(tǒng)的測量方法，包括如下步驟：
[0007] 1)建立全局導航坐標系，并用激光跟蹤儀或室內GPS精確測量出每個接收器在全 局導航坐標系下的精確三維坐標；
[0008] 2)每個接收器通過接收激光發(fā)射站紅外激光器發(fā)出的掃描激光信號與同步脈沖 激光器發(fā)出的同步脈沖激光信號，并發(fā)送給相連接的信號處理器，信號處理器分別計算相 連接的每個接收器在測量空間內激光發(fā)射站坐標系下的精確坐標，包括兩個掃描角Θ u和 θι2及接收器相對于激光發(fā)射站坐標系下的水平角a i和垂直角β i，并將計算結果存入終 端計算機；
[0009] 3)終端計算機根據不同接收器的精確坐標，分別計算出激光發(fā)射站到各個接收器 之間的距離；
[0010] 4)在求定激光發(fā)射站到每個接收器的距離真值山后，每個接收器在激光發(fā)射站坐 標系下的近似坐標值表示為P i= Kcos Pi cos CXi, COS Pi sin CXi, SinPi)，以近似坐標值 作為迭代初始值，進而優(yōu)化解算得出每個接收器在激光發(fā)射站坐標系下的精確坐標值；
[0011] 5)通過步驟4)求得的接收器在激光發(fā)射站坐標系下的精確坐標和步驟1)建立的 每個接收器在全局導航坐標系下的三維坐標，經過坐標系轉換，得到激光發(fā)射站坐標系相 對于全局導航坐標系的姿態(tài)矩陣及平移矩陣；
[0012] 6)通過姿態(tài)矩陣獲得移動機器人的姿態(tài)角度，通過平移矩陣獲得移動機器人的位 置。
[0013] 步驟2)所述的兩個掃描角Θ u和θ 12及水平角α滿垂直角β馮采用如下公式 獲得：
[0014]
[0015]
[0016]
[0017]
[0018]
[0019] 其中，ω代表激光發(fā)射站轉子的旋轉角速度；tu和112分別表示激光發(fā)射站的第1 束和第2束光平面分別掃過第i個接收器所用的時間；Ii ll和η 12分別表示激光發(fā)射站的第 一束和第二束光平面分別掃過第i個接收器時光平面的法矢量，它們的叉乘運算結果込由 (r ix riy riz)表示。
[0020] 步驟3)所述的計算激光發(fā)射站到各個接收器之間的距離是采用如下公式獲得： 通過任意兩個接收器可以列出如下方程：
[0021]
[0022] 若多于三個接收器收到發(fā)射站的激光信號，即可列出三個形如上式的方程，未知 數和方程個數相同，進而可以求解出發(fā)射站分別到三個接收器的距離山，i = 1，2, 3。其中， Θ ^表示激光發(fā)射站與兩個接收器（i和j)連線之間的夾角，可通過如下公式計算：
[0023] 〇'
[0024] 步驟5)中所述的姿態(tài)矩陣和平移矩陣可通過如下公式獲得：
[0025]
[0026] 其中，G代表姿態(tài)矩陣，IT代表平移矩陣，假設測量空間中共有i個接收器收到了 激光發(fā)射站的光信號，G與S分別為接收器在導航坐標系與激光發(fā)射站坐標系下的三維坐 標點矩陣，表示為：
[0027]
[0028]
[0029] 求解如下最小二乘問題，即可的到er和?；》的最終解：
[0030] 'a'
[0031] 步驟6)所述的移動機器人的姿態(tài)角度是根據步驟5)所求出的姿態(tài)矩陣得出：
[0032]
[0033]
[0034]
[0035] 其中，Φ表示航向角度，Θ表示俯仰角度，γ表示橫滾角度。
[0036] 步驟6)所述的移動機器人的位置是直接通過平移矩陣獲得，將平移矩陣拉寫成：
[0037]
[0038] 則平移矩陣的三個分量即為移動機器人在導航坐標系下的三維坐標。
[0039] 本發(fā)明的基于光電掃描的室內移動機器人位姿測量系統(tǒng)及測量方法，是一種高精 度、高效率且便捷的位姿測量系統(tǒng)和方法。操作者在測量時無需在空間中布設多個發(fā)射基 站，亦無需經過繁瑣的全局定向，依靠由光電接收器構成的多個引導信標及固定在移動機 器人機身上的高速激光掃描轉臺，實現對室內移動機器人進行三維空間位置及姿態(tài)的實時 測量。本發(fā)明具有如下特點：
[0040] 1、系統(tǒng)結構簡單：本發(fā)明所提供的系統(tǒng)是基于單一移動測量基站輔以引導信標的 工作原理，比起其它需要多個測站的位姿測量系統(tǒng)，節(jié)約了成本，簡化了工作步驟；
[0041] 2、高精度：本系統(tǒng)的坐標測量誤差小于3_，姿態(tài)角度測量誤差小于0. Γ。精度 遠高于激光雷達等其它基于引導信標的測量系統(tǒng)；
[0042] 3、受現場環(huán)境影響?。河捎谧鳛橐龑艠说慕邮掌鞯捏w積很小，其可以根據測量 任務被放置在任何通視條件較好的位置。另外，固定在機器人上并跟隨其移動的發(fā)射站采 用全空間旋轉掃描的工作方式，可以探測360°視場范圍，進一步放寬了接收器布設位置的 要求。
【附圖說明】
[0043] 圖1是本發(fā)明的基于光電掃描的室內移動機器人位姿測量系統(tǒng)的結構示意圖；
[0044] 圖2是基于光電掃描的室內移動機器人位姿測量系統(tǒng)中激光發(fā)射站的結構示意 圖；
[0045] 圖3是基于光電掃描的室內移動機器人位姿測量系統(tǒng)中接收器的結構示意圖；
[0046] 圖4是全局導航坐標系；
[0047] 圖5是激光發(fā)射站坐標系；
[0048] 圖6是待求解坐標系。
[0049] 圖中
[0050] 1 :移動機器人 2 :激光發(fā)射站
[0051] 3:接收器 4:信號處理器
[0052] 5 ;終端計算機 21 :光平面
[0053] 22 :旋轉軸 23 :轉子
[0054] 24:同步脈沖激光器 25:基座
[0055] 26 :紅外激光器 27 :接收器外殼
[0056] 28 :接收器光敏中心
【具體實施方式】
[0057] 下面結合實施例和附圖對本發(fā)明的基于光電掃描的室內移動機器人位姿測量系 統(tǒng)及測量方法做出詳細說明。
[0058] 使用一臺小型高速旋轉平臺（發(fā)射站）輔以一定數量的引導信標，以已知每個引 導信標在全局坐標系下精確的三維坐標為前提，通過測量發(fā)射站相對于每個引導信標的空 間掃描角度，結合發(fā)射站的精確內部參數完成自身的位姿測量。
[0059] 本發(fā)明，將一個可以向全空間發(fā)射激光信號的小型高速旋轉平臺（發(fā)射站）固定 在移動機器人機體上，在跟隨機器人移動的同時，其以掃描的方式持續(xù)將激光光信號發(fā)射 到工作空間。與此同時，多個引導信標（接收器）被分散放置在發(fā)射站能夠探測到的工作 區(qū)域。當發(fā)射站發(fā)出的激光信號掃過引導信標時，信標內部的光電傳感器，將激光信號轉變 成電信號，經后續(xù)處理轉變成掃描角度信息。以掃描角度作為基本觀測量，并根據發(fā)射站的 內部參數及引導信標在全局坐標系下的精確坐標（導航任務開始前事先標定好），最終優(yōu) 化求解發(fā)射站在全局坐標系下的三維坐標及姿態(tài)角度。
[0060] 如圖1、圖2所示，本發(fā)明的基于光電掃描的室內移動機器人位姿測量系統(tǒng)，包括 有移動機器人1，所述的移動機器人1上設置有激光發(fā)射站2,所述的激光發(fā)射站2的周邊 設置有至少3個用于接收激光發(fā)射站2所發(fā)出的光信號的接收器3,還設置有至少1個與所 述的接收器3相連用于對所述的接收器3所接收的信號進行處理確定接收器3在測量空間 內激光發(fā)射站坐標系下的精確坐標的信號處理器4,以及與所述的信號處理器4無線連接 通過確定激光發(fā)射站到各個接收器之間的距離來確定移動機器人的姿態(tài)角度和移動機器 人的位置的終端計算機5。每一個信號處理器4可以連接有3~8個接收器3。
[0061] 本發(fā)明所述的激光發(fā)射站2和接收器3是采用申請?zhí)枮?01210126759. 5中所公 開的結構。其中：
[0062] 如圖2所示，激光發(fā)射站主要由基座25和轉子23兩部分組成：轉子23位于激光 發(fā)射站頂部，可以高速旋轉，轉子上安裝有兩個線性紅外激光器26,這樣即可形成兩束對測 量空間高速掃描的扇形紅外激光平面；基站上還安裝有一圈同步脈沖激光器24,該激光器 可在轉子轉過某一特定位置時發(fā)出脈沖激光，形成一個計時基準。這樣，接收器通過接收同 步脈沖激光與扇形掃