專利名稱：機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人虛擬邊界技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
虛擬邊界是用于割草機(jī)器人避障、割草及行走的一種非物理邊界，它通過安裝在割草機(jī)器人上的傳感器探測(cè)信標(biāo)方位，再通過邊界構(gòu)成算法實(shí)現(xiàn)工作區(qū)域與非工作區(qū)域的識(shí)別?，F(xiàn)有的機(jī)器人虛擬邊界識(shí)別技術(shù)大致可以分為兩類一種方法是工作前由人工引導(dǎo)機(jī)器人行走覆蓋整個(gè)工作區(qū)，并對(duì)所有走過的路線進(jìn)行記錄，機(jī)器人循著已存儲(chǔ)的路線所包圍的區(qū)域工作或行走。第二種方法是檢測(cè)只對(duì)機(jī)器人可視的“虛擬圍墻”，即以預(yù)先在邊界設(shè)置標(biāo)識(shí)物作為“虛擬圍墻”，機(jī)器人通過傳感器探測(cè)這些邊界標(biāo)志來確定工作區(qū)域的邊界。對(duì)于第一種方法，在專利US6454036、US4694639中采用示教式的導(dǎo)航方法，通過人工控制割草機(jī)器人在工作區(qū)域內(nèi)無遺漏的行走一遍，機(jī)器人會(huì)對(duì)所有走過的路線進(jìn)行記錄，然后沿記錄的軌跡運(yùn)動(dòng)以完成割草任務(wù)。對(duì)于這種方式，可以使用單獨(dú)的定位技術(shù)確定機(jī)器人當(dāng)前的位置，也可以根據(jù)多種傳感器的信息融合來組合定位。但對(duì)于GPS等絕對(duì)定位技術(shù)來說存在定位誤差大等缺點(diǎn)，而相對(duì)定位雖然在短時(shí)間內(nèi)具有很高的定位精度，但長時(shí)間的運(yùn)行必將會(huì)累積大量誤差，造成定位錯(cuò)誤，以至機(jī)器人越界造成事故。盡管可以通過兩種定位技術(shù)相結(jié)合的方式來彌補(bǔ)各自的不足，但定位精度和穩(wěn)定性方面仍有待提高，并且這種方法也將造成系統(tǒng)的復(fù)雜性大大增加，為設(shè)計(jì)、使用與維護(hù)帶來諸多不便。對(duì)于第二種方法，國外的一些專利技術(shù)給出了幾種思路，在布設(shè)實(shí)物信標(biāo)方面，美國專利US5163273、US4919224、W09915941中介紹了與Auto Mower相似的用電纜包圍整個(gè)工作區(qū)域，然后通電，在工作過程中，機(jī)器人通過傳感器檢查電纜所形成的電磁場(chǎng)來獲取邊界信息的方法；而在專利JP9135606中，所用方法是在草坪邊界設(shè)置信標(biāo)，通過割草機(jī)器人上攜帶的光學(xué)傳感器探測(cè)(岳峰.全區(qū)域覆蓋自主移動(dòng)機(jī)器人無信標(biāo)邊界生成和識(shí)別的研究[D].南京理工大學(xué)，2003)，進(jìn)而獲取邊界信息等。這些方式所共同的優(yōu)勢(shì)是割草機(jī)器人對(duì)邊界的識(shí)別非常準(zhǔn)確，并且用戶可以根據(jù)自己的需要圍成任意形狀。且可以將處在區(qū)域中的障礙物用電纜圍起來，減少避障系統(tǒng)復(fù)雜性，對(duì)地面環(huán)境要求也較低。但這些方式的缺點(diǎn)也是顯而易見的，最重要的就是鋪設(shè)的電纜需要通電，這將會(huì)大大降低實(shí)用性。而改進(jìn)的方式則是將電纜換為按照一定距離布設(shè)的磁釘，通過機(jī)器人所攜帶的磁場(chǎng)傳感器來探測(cè)標(biāo)識(shí)物。這種方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，但同樣有磁釘脫落的的隱患存在。有鑒于此，有必要提出一種新的機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別方法及系統(tǒng)以解決上述問題
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于割草機(jī)器人等小型運(yùn)動(dòng)裝置的虛擬邊界建立與識(shí)別方法及系統(tǒng)。本發(fā)明的一種機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別方法，包括:S1、機(jī)器人上的脈沖激光掃描探測(cè)模塊勻速掃描一周；S2、判斷是否檢測(cè)到兩個(gè)或兩個(gè)以上的信標(biāo)，若是，執(zhí)行步驟S3，若否，返回執(zhí)行步驟SI ；S3、判斷任意信標(biāo)間的連線是否為虛擬邊界，完成虛擬邊界的建立；S4、計(jì)算機(jī)器人與虛擬邊界間的距離，判斷最短距離是否小于警戒距離，若是，單片機(jī)信息處理模塊輸出控制信號(hào)，控制機(jī)器人進(jìn)行回避。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟SI具體為:加電復(fù)位時(shí)初始化；通過中斷O產(chǎn)生所需的頻率信號(hào)，控制脈沖激光掃描探測(cè)模塊旋轉(zhuǎn)，覆蓋以割草機(jī)器人為圓心，測(cè)距為半徑的圓形區(qū)域；通過中斷I判斷脈沖激光掃描探測(cè)模塊是否轉(zhuǎn)過一周。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟SI還包括:計(jì)算機(jī)器人到標(biāo)桿的距離以及任意標(biāo)桿相對(duì)于機(jī)器人之間的夾角。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟S3具體為:以割草機(jī)器人當(dāng)前位置為固定點(diǎn)，獲得若干三角形；根據(jù)機(jī)器人到標(biāo)桿的距離以及標(biāo)桿相對(duì)于機(jī)器人之間的夾角利用三角形余弦定理求的兩信標(biāo)的距離，判斷所得距離是否為預(yù)設(shè)距離，若是，則兩信標(biāo)間的連線為有效虛擬邊界，若否，則兩信標(biāo)間的連線為無效虛擬邊界。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述“判斷所得距離是否為預(yù)設(shè)距離”具體為:判斷兩信標(biāo)間 的距離是否滿足_4η σ +I2 ^ m2 ^ 4η σ +I2，其中I為用三角形余弦定理求的兩信標(biāo)的距離，σ為測(cè)距的誤差量，η為的最大測(cè)量距離。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟S4中機(jī)器人與虛擬邊界間的距離h=X*y*sina/l，其中X和y分別為機(jī)器人到信標(biāo)之間的距離，Q為兩信標(biāo)與機(jī)器人的夾角，I為用三角形余弦定理求的兩信標(biāo)的距離，且a= t，ω為脈沖激光掃描探測(cè)模塊的角速度，t為脈沖激光掃描探測(cè)模塊轉(zhuǎn)過兩信標(biāo)所用的時(shí)間。相應(yīng)地，一種如權(quán)利要求1所述的機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:機(jī)器人及分布在真實(shí)邊界上的若干信標(biāo)，所述機(jī)器人中包括脈沖激光掃描探測(cè)模塊、單片機(jī)信息處理模塊以及虛擬邊界建立與識(shí)別算法模塊。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述信標(biāo)由金屬桿以及圍設(shè)于金屬桿上的反光帶構(gòu)成。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述脈沖激光掃描探測(cè)模塊包括激光發(fā)射單元、激光接收單元及激光準(zhǔn)直與聚焦單元。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明中的機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別方法及系統(tǒng)定位精度較高，測(cè)量距離較長；由于激光的單色性好，系統(tǒng)抗外界干擾能力強(qiáng)；系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，成本低，且具有可靠性強(qiáng)、耗能少、重量輕的特點(diǎn)，作為用于割草機(jī)器人這樣的小型的運(yùn)動(dòng)裝置的系統(tǒng)非常合適。


圖1是本發(fā)明機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別方法的流程示意圖；圖2是本發(fā)明機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明中信標(biāo)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明機(jī)器人測(cè)距范圍示意圖；圖5是本發(fā)明虛擬邊界識(shí)別原理模型示意圖；圖6是本發(fā)明有效二角形判斷的具體不意圖；圖7是本發(fā)明機(jī)器人到邊界之間距離幾何模型示意圖；圖8是本發(fā)明激光測(cè)距的原理示意圖；圖9是本發(fā)明信標(biāo)中全反射棱鏡的工作原理圖；圖10是本發(fā)明機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別方法的具體流程圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖所示的各實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。但這些實(shí)施方式并不限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實(shí)施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。參圖1所示，本發(fā)明的一種機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別方法，優(yōu)選地，所述機(jī)器人為割草機(jī)器人包括: S1、機(jī)器人上的脈沖激光掃描探測(cè)模塊勻速掃描一周，同時(shí)計(jì)算機(jī)器人到標(biāo)桿的距離以及任意標(biāo)桿相對(duì)于機(jī)器人之間的夾角。；S2、判斷是否檢測(cè)到兩個(gè)或兩個(gè)以上的信標(biāo)，若是，執(zhí)行步驟S3，若否，返回執(zhí)行步驟SI ；S3、判斷任意信標(biāo)間的連線是否為虛擬邊界，完成虛擬邊界的建立具體為:具體為:以割草機(jī)器人當(dāng)前位置為固定點(diǎn)，獲得若干三角形；根據(jù)機(jī)器人到標(biāo)桿的距離以及標(biāo)桿相對(duì)于機(jī)器人之間的夾角利用三角形余弦定理求的兩信標(biāo)的距離，判斷所得距離是否為預(yù)設(shè)距離，若是，則兩信標(biāo)間的連線為有效虛擬邊界，若否，則兩信標(biāo)間的連線為無效虛擬邊界。其中，“判斷所得距離是否為預(yù)設(shè)距離”具體為:判斷兩信標(biāo)間的距離是否滿足_4η σ +I2^m2 ( 4η σ +I2，其中I為用三角形余弦定理求的兩信標(biāo)的距離，σ為測(cè)距的誤差量，η為的最大測(cè)量距離；S4、計(jì)算機(jī)器人與虛擬邊界間的距離，判斷最短距離是否小于警戒距離，若是，單片機(jī)信息處理模塊輸出控制信號(hào)，控制機(jī)器人進(jìn)行回避。其中，機(jī)器人與虛擬邊界間的距離h=X*y*sina/l，其中X和y分別為機(jī)器人到信標(biāo)之間的距離，Q為兩信標(biāo)與機(jī)器人的夾角，I為用三角形余弦定理求的兩信標(biāo)的距離，且a= t，ω為脈沖激光掃描探測(cè)模塊的角速度，t為脈沖激光掃描探測(cè)模塊轉(zhuǎn)過兩信標(biāo)所用的時(shí)間。進(jìn)一步地步驟SI具體為:加電復(fù)位時(shí)初始化；通過中斷O產(chǎn)生所需的頻率信號(hào)，控制脈沖激光掃描探測(cè)模塊旋轉(zhuǎn)，覆蓋以割草機(jī)器人為圓心，測(cè)距為半徑的圓形區(qū)域；通過中斷I判斷脈沖激光掃描探測(cè)模塊是否轉(zhuǎn)過一周。相應(yīng)地，參圖2所示，一種機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別系統(tǒng)，包括:機(jī)器人10及分布在真實(shí)邊界上的若干信標(biāo)20，機(jī)器人10包括脈沖激光掃描探測(cè)模塊11、單片機(jī)信息處理模塊12以及虛擬邊界建立與識(shí)別算法模塊13，進(jìn)一步地，脈沖激光掃描探測(cè)模塊11包括激光發(fā)射單元、激光接收單元及激光準(zhǔn)直與聚焦單元；參圖3所示，信標(biāo)20由金屬桿21以及圍設(shè)于金屬桿上的反光帶22構(gòu)成，優(yōu)選地，在本實(shí)施方式中反光帶22為全反射棱鏡。信標(biāo)20以一定間隔散布在割草機(jī)器人工作區(qū)域的物理邊界上，反光帶22寬度由脈沖激光掃描探測(cè)模塊11的工作高度及工作區(qū)域不平度確定，主要目的是滿足割草環(huán)境中脈沖激光掃描探測(cè)模塊11發(fā)射的激光可以被有效反射。脈沖激光掃描探測(cè)模塊11安裝在割草機(jī)器人上，由一旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)作圓周勻速掃描，當(dāng)在探頭旋轉(zhuǎn)的同一周之中檢測(cè)到兩個(gè)或兩個(gè)以上的信標(biāo)時(shí)，可通過虛擬邊界建立與識(shí)別算法模塊13對(duì)所測(cè)得的標(biāo)桿之間的連線是否為有效虛擬邊界進(jìn)行判斷。當(dāng)系統(tǒng)判斷出邊界位置時(shí)，就可以求出割草機(jī)器人此時(shí)相對(duì)于邊界的距離，并可經(jīng)過比較從中找出距離最近的邊界，在距離小于警戒距離時(shí)，單片機(jī)信息處理模塊12將輸出控制信號(hào)，控制割草機(jī)器人進(jìn)行回避，以免割草機(jī)器人越界。本實(shí)施方式中，虛擬邊界即為兩根相鄰的信標(biāo)之間的連線所在的直線。機(jī)器人上攜帶的激光探頭進(jìn)行勻速旋轉(zhuǎn)，在調(diào)整脈沖激光掃描探測(cè)模塊的探測(cè)距離為合適后，機(jī)器人周圍將形成一個(gè)圓形的可探測(cè)區(qū)域，參圖4所示。該區(qū)域的大小可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，本優(yōu)選實(shí)施例中選取可探測(cè)區(qū)域半徑為5米。在探測(cè)到機(jī)器人與信標(biāo)之間的距離的同時(shí)，還需要對(duì)所探測(cè)到的標(biāo)桿相對(duì)于機(jī)器人之間的夾角進(jìn)行測(cè)量和記錄，參圖5所示，x、y分別為機(jī)器人到標(biāo)桿的距離，α為它們之間的夾角。通過單片機(jī)信息處理模塊對(duì)脈沖激光掃描探測(cè)模塊檢測(cè)到的標(biāo)桿轉(zhuǎn)過的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，在探頭勻速旋轉(zhuǎn)的條件下，標(biāo)桿之間相對(duì)于機(jī)器人的夾角即可得到。這樣就可以建立起一個(gè)三角形模型， 得到需要的距離和角度參數(shù)。割草機(jī)器人通過探測(cè)在草坪邊界所設(shè)置的信標(biāo)，當(dāng)檢測(cè)到兩個(gè)或兩個(gè)以上的信標(biāo)時(shí)，機(jī)器人將與信標(biāo)之間建立三角形，通過機(jī)器人上配備的單片機(jī)信息處理模塊和脈沖激光掃描探測(cè)模塊獲得機(jī)器人與標(biāo)桿之間的距離和角度信息，根據(jù)建立的模型計(jì)算與虛擬邊界間的距離。參圖6所示，盡量讓相鄰的信標(biāo)桿之間的距離保持一致，理論推導(dǎo)時(shí)設(shè)為一個(gè)固定的常數(shù)I。當(dāng)啟動(dòng)機(jī)器人工作時(shí)，測(cè)距系統(tǒng)開始運(yùn)行，探測(cè)即開始，并把此點(diǎn)作為參考基點(diǎn)。當(dāng)激光探頭在旋轉(zhuǎn)一周的過程中(相對(duì)于參考基點(diǎn))，如果割草機(jī)器人檢測(cè)到兩個(gè)或兩個(gè)以上的標(biāo)桿之時(shí)，以割草機(jī)器人當(dāng)前位置為固定點(diǎn)，可獲得若干三角形。若檢測(cè)到的標(biāo)桿數(shù)量為a (a>l),可知此時(shí)建立三角形數(shù)量b為:
r n , aia — I)b =—--
2 ,而在這些三角形之中，只有機(jī)器人與相鄰的標(biāo)桿之間建立的三角形才是實(shí)際與虛擬邊界相關(guān)的三角形，對(duì)應(yīng)的兩信標(biāo)之間的連線才為實(shí)際的虛擬邊界，稱這些為有效三角形。有效三角形通過判斷檢測(cè)到的信標(biāo)之間的距離來確定。因?yàn)樵诓荚O(shè)信標(biāo)的過程中，相鄰信標(biāo)之間的距離是一定的。當(dāng)獲得了割草機(jī)器人與信標(biāo)之間的距離和角度之后，就可以求出兩桿之間的距離。當(dāng)這個(gè)距離不滿足相鄰桿之間距離I時(shí)，說明此三角形為無效三角形。設(shè)割草 機(jī)器人到信標(biāo)之間的距離分別為X和y，他們之間所夾的角度為α。需要注意的是，激光測(cè)距系統(tǒng)在測(cè)量時(shí)是存在誤差的，這將導(dǎo)致根據(jù)其所測(cè)得的結(jié)果計(jì)算出的邊界長度與實(shí)際長度存在偏差，造成無法正確判斷所構(gòu)成的三角形是否為有效三角形。為此，引入一個(gè)測(cè)距的誤差量σ。根據(jù)三角形余弦定理，可列出算式:
權(quán)利要求
1.一種機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別方法，其特征在于，所述方法包括: 51、機(jī)器人上的脈沖激光掃描探測(cè)模塊勻速掃描一周； 52、判斷是否檢測(cè)到兩個(gè)或兩個(gè)以上的信標(biāo)，若是，執(zhí)行步驟S3，若否，返回執(zhí)行步驟S1； S3、判斷任意信標(biāo)間的連線是否為虛擬邊界，完成虛擬邊界的建立； D4、計(jì)算機(jī)器人與虛擬邊界間的距離，判斷最短距離是否小于警戒距離，若是，單片機(jī)信息處理模塊輸出控制信號(hào)，控制機(jī)器人進(jìn)行回避。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別方法，其特征在于，所述步驟SI具體為: 加電復(fù)位時(shí)初始化； 通過中斷O產(chǎn)生所需的頻率信號(hào)，控制脈沖激光掃描探測(cè)模塊旋轉(zhuǎn)，覆蓋以割草機(jī)器人為圓心，測(cè)距為半徑的圓形區(qū)域； 通過中斷I判斷脈沖激光掃描探測(cè)模塊是否轉(zhuǎn)過一周。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別方法，其特征在于，所述步驟SI還包括: 計(jì)算機(jī)器人到標(biāo)桿的距離以及任意標(biāo)桿相對(duì)于機(jī)器人之間的夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別方法，其特征在于，所述步驟S3具體為: 以割草機(jī)器人當(dāng)前位置為固定點(diǎn)，獲得若干三角形； 根據(jù)機(jī)器人到標(biāo)桿的距離以及標(biāo)桿相對(duì)于機(jī)器人之間的夾角利用三角形余弦定理求的兩信標(biāo)的距離，判斷所得距離是否為預(yù)設(shè)距離，若是，則兩信標(biāo)間的連線為有效虛擬邊界，若否，則兩信標(biāo)間的連線為無效虛擬邊界。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別方法，其特征在于，所述“判斷所得距離是否為預(yù)設(shè)距離”具體為: 判斷兩信標(biāo)間的距離是否滿足_4η σ +I2 ≤ m2 ≤ 4η σ +I2，其中I為用三角形余弦定理求的兩信標(biāo)的距離，σ為測(cè)距的誤差量，η為的最大測(cè)量距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別方法，其特征在于，所述步驟S4中機(jī)器人與虛擬邊界間的距離h=x*y*Sina /1，其中x和y分別為機(jī)器人到信標(biāo)之間的距離，α為兩信標(biāo)與機(jī)器人的夾角，1為用三角形余弦定理求的兩信標(biāo)的距離，且a= t，ω為脈沖激光掃描探測(cè)模塊的角速度，t為脈沖激光掃描探測(cè)模塊轉(zhuǎn)過兩信標(biāo)所用的時(shí)間。
7.—種如權(quán)利要求1所述的機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括:機(jī)器人及分布在真實(shí)邊界上的若干信標(biāo)，所述機(jī)器人中包括脈沖激光掃描探測(cè)模塊、單片機(jī)信息處理模塊以及虛擬邊界建立與識(shí)別算法模塊。
8.根據(jù)權(quán)利要7所述的機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述信標(biāo)由金屬桿以及圍設(shè)于金屬桿上的反光帶構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要7所述的機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述脈沖激光掃描探測(cè)模塊包括激光發(fā)射單元、激光接收單元及激光準(zhǔn)直與聚焦單元。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別方法及系統(tǒng)，該方法包括S1、機(jī)器人上的脈沖激光掃描探測(cè)模塊勻速掃描一周；S2、判斷是否檢測(cè)到兩個(gè)或兩個(gè)以上的信標(biāo)，若是，執(zhí)行步驟S3，若否，返回執(zhí)行步驟S1；S3、判斷任意信標(biāo)間的連線是否為虛擬邊界，完成虛擬邊界的建立；S4、計(jì)算機(jī)器人與虛擬邊界間的距離，判斷最短距離是否小于警戒距離，若是，單片機(jī)信息處理模塊輸出控制信號(hào)，控制機(jī)器人進(jìn)行回避。本發(fā)明中的機(jī)器人虛擬邊界建立與識(shí)別方法及系統(tǒng)定位精度較高，測(cè)量距離較長；由于激光的單色性好，系統(tǒng)抗外界干擾能力強(qiáng)；系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，成本低，且可靠性強(qiáng)、耗能少、重量輕。
文檔編號(hào)G05D1/02GK103076802SQ20121037881
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月9日
發(fā)明者宋壽鵬, 苗永紅, 李彥旭, 張恒, 盧翠娥, 姜琴, 趙偲 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)