一種自主避障導(dǎo)航信息共享和使用方法
【專利摘要】一種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)和機(jī)器人的自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)，包含自主避障導(dǎo)航模塊和云平臺(tái)。其中自主避障導(dǎo)航模塊由避障導(dǎo)航模塊主體支架、多個(gè)超聲波傳感器、RGB?D傳感器/激光雷達(dá)、慣性IMU模塊、GPS模塊及天線、無(wú)線通信模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊和避障導(dǎo)航電路板等組成；云平臺(tái)由數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、網(wǎng)絡(luò)防火墻模塊、數(shù)據(jù)瀏覽和分析模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成。本發(fā)明采用超聲波傳感器、RGB?D傳感器/激光雷達(dá)、慣性IMU模塊等多傳感器組合的方案提升了自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)的三維地圖構(gòu)建能力和精度；并通過(guò)自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)和云平臺(tái)相結(jié)合的方式，使每個(gè)場(chǎng)景地圖只需構(gòu)建一次，其他自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)在同一場(chǎng)景運(yùn)行時(shí)只需從云平臺(tái)上下載本場(chǎng)景的地圖，提高了無(wú)人機(jī)和機(jī)器人的工作效率；同時(shí)對(duì)在已完成地圖構(gòu)建的場(chǎng)景中工作機(jī)器人的避障導(dǎo)航模塊硬件的要求降低，有利于降低整個(gè)無(wú)人機(jī)和機(jī)器人的成本。
【專利說(shuō)明】
一種自主避障導(dǎo)航信息共享和使用方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種自主避障導(dǎo)航信息共享和使用方法及一種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)和機(jī)器人的自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展，無(wú)人機(jī)、機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，其在不同行業(yè)的應(yīng)用可以帶來(lái)行業(yè)應(yīng)用上的創(chuàng)新，帶來(lái)跨行業(yè)的疊加躍變；同時(shí)“家家都有機(jī)器人”的宏偉目標(biāo)也在逐步實(shí)現(xiàn)。但在無(wú)人機(jī)和機(jī)器人普及的路上，最重要的是和安全息息相關(guān)的自動(dòng)避障和導(dǎo)航技術(shù)，如果無(wú)人機(jī)、機(jī)器人和人員的安全都無(wú)法保障，其他的一切都無(wú)從談起。
[0003]無(wú)人機(jī)和機(jī)器人的自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)是當(dāng)前無(wú)人機(jī)和機(jī)器人研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，涉及到諸多學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)和機(jī)器人避障導(dǎo)航首先需要確定自身的位置和姿態(tài)，并構(gòu)建周圍環(huán)境地圖，然后根據(jù)自身的位置和姿態(tài)、周圍環(huán)境地圖和最終任務(wù)完成路徑規(guī)劃;在無(wú)人機(jī)和機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)周圍障礙物，對(duì)規(guī)劃路徑上突入障礙物采取規(guī)避策略并最終完成指定任務(wù)。
[0004]在無(wú)人機(jī)和機(jī)器人避障導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外相關(guān)人員都提出了多種解決方案。包括通過(guò)超聲波傳感器、雙目視覺(jué)傳感器、激光雷達(dá)、RGB-D深度傳感器或者上述多種傳感器的組合模塊來(lái)探測(cè)障礙物和場(chǎng)景地圖構(gòu)建;利用電子羅盤(pán)、慣性IMU模塊、GPS模塊等進(jìn)行自身姿態(tài)確定和位置確定，輔以貝葉斯概率算法計(jì)算障礙物占據(jù)的概率，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)和路徑規(guī)劃。在避障導(dǎo)航系統(tǒng)，場(chǎng)景地圖構(gòu)建是一個(gè)難度最大、耗時(shí)最多、要求最高的部分，場(chǎng)景地圖的精確性、完整性決定了無(wú)人機(jī)和機(jī)器人的路徑規(guī)劃的效率和準(zhǔn)確性。但目前各種機(jī)器人，在其本身應(yīng)用場(chǎng)景中完成場(chǎng)景地圖構(gòu)建后，只能本機(jī)器使用，但用戶根據(jù)實(shí)際需要更換機(jī)器人后，新機(jī)器人又不得不對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行再次地圖構(gòu)建，話費(fèi)大量的時(shí)間、精力。
[0005]因此，本發(fā)明針對(duì)機(jī)器人間構(gòu)建的場(chǎng)景地圖數(shù)據(jù)不能共享的問(wèn)題，首次提出具備云平臺(tái)的自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)，此自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可以構(gòu)建應(yīng)用場(chǎng)景的地圖，而且將構(gòu)建的場(chǎng)景地圖數(shù)據(jù)上傳到云臺(tái)，更能根據(jù)自身的位置信息在云平臺(tái)上查找數(shù)據(jù)庫(kù)，下載本場(chǎng)景的地圖數(shù)據(jù)，免去重新場(chǎng)景地圖構(gòu)建過(guò)程，提高機(jī)器人的工作效率，將使機(jī)器人應(yīng)用更廣泛。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種具備云平臺(tái)的自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)，不僅自身可以對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行精確地圖構(gòu)建，更能將場(chǎng)景地圖數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，供同一個(gè)場(chǎng)景的其他機(jī)器人下載使用。實(shí)現(xiàn)一個(gè)場(chǎng)景構(gòu)建一次地圖，后期機(jī)器人均能使用，節(jié)省機(jī)器人避障導(dǎo)航中最關(guān)鍵的場(chǎng)景地圖構(gòu)建步驟，提高機(jī)器人的工作效率，也可以降低后期對(duì)避障導(dǎo)航模塊的要求。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]—種自主避障導(dǎo)航信息共享和使用方法，其特征在于:包括
[0009]無(wú)人機(jī)或者機(jī)器人上電后，自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)上電，系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢通過(guò)后，先通過(guò)GPS模塊或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行初步定位，判斷自身是否處于一個(gè)新環(huán)境，如果是新環(huán)境，則將自身位置信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸?shù)皆破脚_(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊，云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊根據(jù)其位置信息查找場(chǎng)景三維地圖，如果找到對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的三維地圖，則通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)阶灾鞅苷蠈?dǎo)航系統(tǒng)，自主導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)場(chǎng)景三維地圖和傳感器進(jìn)行自身精確定位，定位完成后根據(jù)任務(wù)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃的軌跡生成運(yùn)動(dòng)指令發(fā)給無(wú)人機(jī)或機(jī)器人，由無(wú)人機(jī)或機(jī)器人完成任務(wù)；
[0010]如果云平臺(tái)上沒(méi)有對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的三維地圖，則自主避障導(dǎo)航模塊啟動(dòng)場(chǎng)景地圖構(gòu)建步驟，待地圖構(gòu)建完成后，將地圖上傳到云平臺(tái)，同時(shí)根據(jù)任務(wù)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，完成任務(wù)；
[0011]如果確認(rèn)不是新環(huán)境，則檢測(cè)是否存儲(chǔ)著本場(chǎng)景的三維地圖，如果三維地圖與地理位置信息重合，則開(kāi)啟自身定位，進(jìn)行任務(wù)路徑規(guī)劃直至完成任務(wù);如果三維地圖與地理位置信息不符，則將地理位置信息發(fā)送到云平臺(tái)，下載對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景的三維地圖，下載完成后開(kāi)啟自身定位，進(jìn)行任務(wù)路徑規(guī)劃直至完成任務(wù)。
[0012]場(chǎng)景地圖構(gòu)建步驟包括:
[0013]步驟1:先以起始點(diǎn)為中心，避障導(dǎo)航裝置或其載體旋轉(zhuǎn)360°，獲得了起始點(diǎn)360°的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分析并存儲(chǔ)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得出下一個(gè)掃描點(diǎn)的位置和到達(dá)軌跡，載體將按照指令運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)，并開(kāi)始360°掃描，繼續(xù)分析并存儲(chǔ)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù);在整個(gè)過(guò)程中，根據(jù)傳感器輸出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和慣性MU模塊輸出的姿態(tài)位置信息進(jìn)行三維點(diǎn)云的拼接，形成場(chǎng)景內(nèi)局部三維地圖，并根據(jù)場(chǎng)景內(nèi)局部三維地圖和掃描策略得到下一個(gè)掃描點(diǎn)，直至三維地圖構(gòu)建的第一步完成；
[0014]步驟二，還需要根據(jù)其他傳感器的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)三維地圖進(jìn)行修正，修正完成后，場(chǎng)景地圖構(gòu)建完成。
[0015]自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)和云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊通信，可將自身繪制的場(chǎng)景三維地圖和自身位置信息上傳至云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊，云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊根據(jù)接收到的場(chǎng)景三維地圖數(shù)據(jù)和地理位置信息將其存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊在收到自主避障導(dǎo)航模塊下載某個(gè)場(chǎng)景三維地圖數(shù)據(jù)時(shí)，首先將請(qǐng)求發(fā)送給數(shù)據(jù)瀏覽和分析模塊，數(shù)據(jù)瀏覽和分析模塊將根據(jù)自主避障導(dǎo)航模塊的地理數(shù)據(jù)信息在數(shù)據(jù)庫(kù)模塊中查找場(chǎng)景的三維地圖，如果找到對(duì)應(yīng)的三維地圖數(shù)據(jù)，則將地圖數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給自主避障導(dǎo)航模塊;如果沒(méi)有對(duì)應(yīng)的三維地圖數(shù)據(jù)，則將沒(méi)有地圖狀態(tài)信息傳輸給自主避障導(dǎo)航模塊，自主避障導(dǎo)航模塊則對(duì)場(chǎng)景開(kāi)始地圖構(gòu)建，構(gòu)建完成后將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)。
[0016]網(wǎng)絡(luò)通信均在網(wǎng)絡(luò)防火墻模塊的監(jiān)控下進(jìn)行，保證云平臺(tái)的安全。
[0017]一種具備云平臺(tái)的自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于:包括
[0018]包含自主避障導(dǎo)航模塊和云平臺(tái)；
[0019]自主避障導(dǎo)航模塊安裝在無(wú)人機(jī)或機(jī)器人上，控制無(wú)人機(jī)或者機(jī)器人按照預(yù)定策略對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行遍歷，構(gòu)建場(chǎng)景的三維地圖，將三維地圖存儲(chǔ)在本地，同時(shí)將本場(chǎng)景的三維地圖和位置信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到云平臺(tái)；
[0020]云平臺(tái)將接收到的場(chǎng)景地圖數(shù)據(jù)按照一定的策略保存，以供后期其他無(wú)人機(jī)或機(jī)器人避障導(dǎo)航模塊根據(jù)地理位置信息下載。
[0021 ]避障導(dǎo)航模塊包括超聲波傳感器、RGB-D傳感器或激光雷達(dá)、慣性頂U(kuò)模塊、GPS模塊及天線、無(wú)線通信模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊和避障導(dǎo)航電路板。
[0022]所述云平臺(tái)包含數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、網(wǎng)絡(luò)防火墻模塊、數(shù)據(jù)瀏覽和分析模塊和網(wǎng)絡(luò)通信豐旲塊。
[0023]其根據(jù)RGB-D傳感器的3D數(shù)據(jù)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云提取;根據(jù)慣性頂U(kuò)模塊和GPS模塊進(jìn)行自身姿態(tài)和位置的確定;根據(jù)多個(gè)超聲波傳感器、RGB-D傳感器、慣性MU模塊的數(shù)據(jù)融合進(jìn)行場(chǎng)景地圖構(gòu)建、軌跡規(guī)劃和障礙物避讓，并形成運(yùn)動(dòng)指令通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送給無(wú)人機(jī)或機(jī)器人運(yùn)動(dòng)主體，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)主體根據(jù)指令控制機(jī)器人按照要求運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，慣性MU模塊實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人主體在場(chǎng)景中的位置和姿態(tài)，并將上述信息發(fā)送給避障導(dǎo)航電路板，避障導(dǎo)航電路板將根據(jù)慣性IMU模塊輸出的位置和姿態(tài)信息實(shí)時(shí)調(diào)整控制指令，形成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)負(fù)反饋控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按照規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)。
[0024]整個(gè)云平臺(tái)具備防火墻和網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)置，只有通過(guò)認(rèn)證的避障導(dǎo)航模塊才可以下載，保證場(chǎng)景地圖數(shù)據(jù)的安全。
[0025]一種機(jī)器人或無(wú)人機(jī)，使用上述的具備云平臺(tái)的自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)或自主避障導(dǎo)航信息共享和使用方法。
[0026]一種具備云平臺(tái)的自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)由兩部分組成，包含自主避障導(dǎo)航模塊和云平臺(tái)。自主避障導(dǎo)航模塊安裝在無(wú)人機(jī)和機(jī)器人上，可以控制無(wú)人機(jī)或者機(jī)器人按照預(yù)定策略對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行遍歷，構(gòu)建場(chǎng)景的三維地圖，將地圖存儲(chǔ)在本地，同時(shí)將本場(chǎng)景的地圖和位置信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到云平臺(tái)，云平臺(tái)將接收到的場(chǎng)景地圖數(shù)據(jù)按照一定的策略保存，以供后期其他機(jī)器人避障導(dǎo)航模塊根據(jù)地理位置信息下載，整個(gè)云平臺(tái)具備防火墻和網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)置，只有通過(guò)認(rèn)證的避障導(dǎo)航模塊才可以下載，保證場(chǎng)景地圖數(shù)據(jù)的安全。
[0027]所述無(wú)人機(jī)或者機(jī)器人上自主避障導(dǎo)航模塊，包含避障導(dǎo)航模塊主體支架、多個(gè)超聲波傳感器、RGB-D傳感器/激光雷達(dá)、慣性頂U(kuò)模塊、GPS模塊及天線、無(wú)線通信模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊和避障導(dǎo)航電路板。避障導(dǎo)航電路板為整個(gè)避障導(dǎo)航模塊的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)模塊中各個(gè)傳感器(包含超聲波傳感器、RGB-D傳感器/激光雷達(dá)、慣性頂U(kuò)模塊、GPS模塊、無(wú)線通信模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊)之間的信息交互，其根據(jù)RGB-D傳感器/激光雷達(dá)的3D數(shù)據(jù)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云提取;根據(jù)慣性頂U(kuò)模塊和GPS模塊進(jìn)行自身姿態(tài)和位置的確定;根據(jù)多個(gè)超聲波傳感器、RGB-D傳感器/激光雷達(dá)、慣性IMU模塊的數(shù)據(jù)融合進(jìn)行場(chǎng)景地圖構(gòu)建、軌跡規(guī)劃和障礙物避讓;將軌跡規(guī)劃和障礙物避讓形成的運(yùn)動(dòng)控制指令通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送給無(wú)人機(jī)或機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制部分;機(jī)器人按照避障導(dǎo)航模塊的指令完成場(chǎng)景的遍歷;避障導(dǎo)航電路板根據(jù)機(jī)器人遍歷過(guò)程中形成的場(chǎng)景點(diǎn)云數(shù)據(jù)、自身姿態(tài)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，最終形成場(chǎng)景的三維地圖和自身定位;在完成場(chǎng)景三維地圖構(gòu)建后，避障導(dǎo)航電路板根據(jù)場(chǎng)景三維地圖、路徑規(guī)劃策略、自身的位置和姿態(tài)、需要完成的任務(wù)進(jìn)行路徑規(guī)劃并將形成運(yùn)動(dòng)指令，發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人將按照規(guī)劃的路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程，超聲波傳感器和RGB-D傳感器不停的監(jiān)測(cè)路徑上是否有突入障礙物，當(dāng)遇到突入障礙物后啟動(dòng)避障策略，同時(shí)判斷突入障礙物的類型;在自主避障導(dǎo)航模塊完成場(chǎng)景三維地圖購(gòu)進(jìn)后，將場(chǎng)景地圖、地圖形成的時(shí)間、自身的場(chǎng)景位置等多個(gè)信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊上傳到云平臺(tái)存儲(chǔ)。
[0028]所述云平臺(tái)包含數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、網(wǎng)絡(luò)防火墻模塊、數(shù)據(jù)瀏覽和分析模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊。網(wǎng)絡(luò)通信模塊負(fù)責(zé)接收自主避障導(dǎo)航模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的請(qǐng)求和數(shù)據(jù)，并根據(jù)通信協(xié)議對(duì)自主避障模塊進(jìn)行通信；當(dāng)收到自主避障導(dǎo)航模塊上傳的場(chǎng)景地圖數(shù)據(jù)時(shí)，首先根據(jù)協(xié)議對(duì)上傳的地圖數(shù)據(jù)的完整性和正確性進(jìn)行校驗(yàn)，通過(guò)后根據(jù)同時(shí)上傳的機(jī)器人地位置信息進(jìn)行存入數(shù)據(jù)庫(kù)；當(dāng)收到自主避障導(dǎo)航模塊下載場(chǎng)景地圖的指令后，由數(shù)據(jù)瀏覽和分析模塊根據(jù)地理位置信息對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行搜索，并將查找場(chǎng)景地圖的結(jié)果及數(shù)據(jù)傳送給請(qǐng)求的自主避障導(dǎo)航模塊；自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)和云平臺(tái)和所有通信均在網(wǎng)絡(luò)防火墻的保護(hù)下進(jìn)行。
[0029]本發(fā)明的有益效果為:采用超聲波傳感器、RGB-D傳感器/激光雷達(dá)、慣性頂U(kuò)模塊等多傳感器組合的方案提升了自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)的三維地圖構(gòu)建能力和精度;并通過(guò)自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)和云平臺(tái)相結(jié)合的方式，將自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)獲得的場(chǎng)景地圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云平臺(tái)，使每個(gè)場(chǎng)景地圖只需構(gòu)建一次，其他自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)在同一場(chǎng)景運(yùn)行時(shí)只需從云平臺(tái)上下載本場(chǎng)景的地圖，科學(xué)的省略了自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)難度最大、耗時(shí)最多、要求最高的場(chǎng)景地圖構(gòu)建步驟，提高了無(wú)人機(jī)和機(jī)器人的工作效率；同時(shí)對(duì)在已完成地圖構(gòu)建的場(chǎng)景中工作機(jī)器人的避障導(dǎo)航模塊硬件的要求降低，有利于降低整個(gè)無(wú)人機(jī)和機(jī)器人的成本。
【附圖說(shuō)明】
[0030]下面根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0031]圖1為本發(fā)明的應(yīng)用于無(wú)人機(jī)和機(jī)器人的自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)主視圖；
[0032]圖2為本發(fā)明的應(yīng)用于無(wú)人機(jī)和機(jī)器人的自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)俯視圖
[0033]其中，I為場(chǎng)景地面，2為機(jī)器人輪子，3為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)主體，4為機(jī)器人工作電源，5為機(jī)器人支撐自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，6為自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，7為慣性MU模塊，8為后視方向超聲波模塊，9為GPS模塊本體，1為GPS模塊的天線，11為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊的本體，12為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊的天線，13為前視方向超聲波模塊，14為超聲波模塊接收部分，15為超聲波模塊發(fā)射部分，16為RGB-D傳感器的可見(jiàn)光部分，17為RGB-D傳感器的本體，18為避障導(dǎo)航電路板，19為RGB-D傳感器的紅外接收部分，20為RGB-D傳感器的激光光斑發(fā)射部分，21為右視方向超聲波模塊，22為左視方向超聲波模塊，23為無(wú)線通信模塊，24為Internet網(wǎng)絡(luò)，25為云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊，26為網(wǎng)絡(luò)防火墻，27為數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，28為數(shù)據(jù)瀏覽和分析模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳述。
[0035]如圖1所示，本發(fā)明包括自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)6、慣性MU模塊7、后視超聲波模塊8、前視超聲波模塊13、右視超聲波模塊21、左視超聲波模塊22、GPS模塊9、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊11、RGB-D傳感器模塊17和避障導(dǎo)航電路板18.其中，后視超聲波模塊8、前視超聲波模塊
13、右視超聲波模塊21、左視超聲波模塊22分別安裝在自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)6的四周，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)四個(gè)方向上的障礙物，并將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給避障導(dǎo)航電路板18;避障導(dǎo)航電路板18位于主體結(jié)構(gòu)6的內(nèi)部，為整個(gè)避障導(dǎo)航模塊的核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中超聲波傳感器、RGB-D傳感器17、慣性頂U(kuò)模塊7、GPS模塊9、無(wú)線通信模塊23、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊11之間的信息交互，其根據(jù)RGB-D傳感器17的3D數(shù)據(jù)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云提取;根據(jù)慣性IMU模塊7和GPS模塊9進(jìn)行自身姿態(tài)和位置的確定;根據(jù)多個(gè)超聲波傳感器、RGB-D傳感器17、慣性頂U(kuò)模塊7的數(shù)據(jù)融合進(jìn)行場(chǎng)景地圖構(gòu)建、軌跡規(guī)劃和障礙物避讓，并形成運(yùn)動(dòng)指令通過(guò)無(wú)線通信模塊23發(fā)送給機(jī)器人運(yùn)動(dòng)主體3，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)主體3根據(jù)指令控制機(jī)器人的輪子2按照要求運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，慣性MU模塊7實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人主體3在場(chǎng)景中的位置和姿態(tài)，并將上述信息發(fā)送給避障導(dǎo)航電路板18，避障導(dǎo)航電路板18將根據(jù)慣性IMU模塊輸出的位置和姿態(tài)信息實(shí)時(shí)調(diào)整控制指令，形成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)負(fù)反饋控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按照規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)。
[0036]在機(jī)器人主體3運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，位于自主導(dǎo)航避障系統(tǒng)主體6頭部的RGB-D傳感器17按照一定頻率輸出前視方向上的三維場(chǎng)景點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸給避障導(dǎo)航電路板18，避障導(dǎo)航電路板18根據(jù)上述數(shù)據(jù)判斷前方障礙物情況，并將上述三維場(chǎng)景點(diǎn)云數(shù)據(jù)和慣性頂U(kuò)模塊7輸出的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)打包存儲(chǔ)。如果自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)處于場(chǎng)景地圖構(gòu)建工作狀態(tài)，則避障導(dǎo)航電路板18將按照遍歷算法進(jìn)行機(jī)器人主體3運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃:首先以起始點(diǎn)為中心，機(jī)器人旋轉(zhuǎn)360°，獲得了起始點(diǎn)360°的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，避障導(dǎo)航電路板18將分析并存儲(chǔ)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并分析出下一個(gè)掃描點(diǎn)的位置和到達(dá)軌跡，機(jī)器人主體3將按照避障導(dǎo)航電路板18的指令運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)，并開(kāi)始360°掃描，避障導(dǎo)航電路板18繼續(xù)分析并存儲(chǔ)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在整個(gè)過(guò)程中，避障導(dǎo)航電路板18將根據(jù)RGB-D傳感器17輸出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和慣性MU模塊7輸出的姿態(tài)位置信息進(jìn)行三維點(diǎn)云的拼接，形成場(chǎng)景內(nèi)局部三維地圖，避障導(dǎo)航電路板18并根據(jù)場(chǎng)景內(nèi)局部三維地圖和掃描策略得到下一個(gè)掃描點(diǎn)，直至避障導(dǎo)航電路板18將場(chǎng)景三維地圖閉環(huán)，三維地圖閉環(huán)意味著三維地圖構(gòu)建的第一步完成，還需要根據(jù)超聲波傳感器、點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)三維地圖進(jìn)行修正，修正完成后，場(chǎng)景地圖構(gòu)建完成。如果自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)獲得場(chǎng)景的三維地圖，則避障導(dǎo)航電路板18根據(jù)RGB-D傳感器17輸出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自身定位，作為慣性IMU模塊7輸出的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)的補(bǔ)償，確定自身在場(chǎng)景中的具體位置，避障導(dǎo)航電路板18根據(jù)自身的位置和需要完成的任務(wù)，在場(chǎng)景地圖上規(guī)劃完成任務(wù)的路徑，規(guī)劃路徑采用基于動(dòng)態(tài)擬牛頓法來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)遞歸最小二乘Jacobian估計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的最小化實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑，當(dāng)路徑規(guī)劃完成后，避障導(dǎo)航電路板18輸出控制指令給機(jī)器人主體3，機(jī)器人主體3控制控制機(jī)器人的輪子2按照要求運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，慣性頂U(kuò)模塊7實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人主體3在場(chǎng)景中的位置和姿態(tài)，并將上述信息發(fā)送給避障導(dǎo)航電路板18，避障導(dǎo)航電路板18將根據(jù)慣性IMU模塊輸出的位置和姿態(tài)信息實(shí)時(shí)調(diào)整控制指令，形成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)負(fù)反饋控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按照規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，避障導(dǎo)航電路板18根據(jù)RGB-D傳感器17輸出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、超聲波傳感器輸出的數(shù)據(jù)判斷路徑上是否有突入障礙物，如果遇到突入障礙物，則根據(jù)障礙物信息和場(chǎng)景地圖生成避障路徑，直至完成任務(wù)。
[0037]位于自主導(dǎo)航避障系統(tǒng)主體6頂部的GPS模塊9是無(wú)人機(jī)或機(jī)器人在開(kāi)闊地帶環(huán)境時(shí)，對(duì)無(wú)人機(jī)或者機(jī)器人進(jìn)行自身定位，作為慣性IMU模塊7輸出的位置的補(bǔ)償，在開(kāi)闊地帶環(huán)境，避障導(dǎo)航電路板18可以根據(jù)GPS信息進(jìn)行軌跡規(guī)劃，但需要通過(guò)RGB-D傳感器17、超聲波傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)路徑上的障礙物和地形，并對(duì)其路徑進(jìn)行修正。
[0038]自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊11通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)24和云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊25通信，可將自身繪制的場(chǎng)景三維地圖和自身位置信息上傳至云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊25，云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊25根據(jù)接收到的場(chǎng)景三維地圖數(shù)據(jù)和地理位置信息將其存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)模塊27。云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊25在收到自主避障導(dǎo)航模塊下載某個(gè)場(chǎng)景三維地圖數(shù)據(jù)時(shí)，首先將請(qǐng)求發(fā)送給數(shù)據(jù)瀏覽和分析模塊28，數(shù)據(jù)瀏覽和分析模塊28將根據(jù)自主避障導(dǎo)航模塊的地理數(shù)據(jù)信息在數(shù)據(jù)庫(kù)模塊27中查找場(chǎng)景的三維地圖，如果找到對(duì)應(yīng)的三維地圖數(shù)據(jù)，則將地圖數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給自主避障導(dǎo)航模塊;如果沒(méi)有對(duì)應(yīng)的三維地圖數(shù)據(jù)，則將沒(méi)有地圖狀態(tài)信息傳輸給自主避障導(dǎo)航模塊，自主避障導(dǎo)航模塊則對(duì)場(chǎng)景開(kāi)始地圖構(gòu)建，構(gòu)建完成后將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信均在網(wǎng)絡(luò)防火墻模塊的監(jiān)控下進(jìn)行，保證云平臺(tái)的安全。
[0039]本發(fā)明的工作原理為:
[0040]無(wú)人機(jī)或者機(jī)器人上電后，自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)上電，避障導(dǎo)航電路板18、RGB_D傳感器17、超聲波傳感器、慣性頂U(kuò)模塊7、GPS模塊9、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊11進(jìn)行自檢，自檢通過(guò)后，先通過(guò)GPS模塊或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行初步定位，判斷自身是否處于一個(gè)新環(huán)境，如果是新環(huán)境，則將自身位置信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸?shù)皆破脚_(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊25，云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊25根據(jù)其位置信息查找場(chǎng)景三維地圖，如果找到對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的三維地圖，則通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)阶灾鞅苷蠈?dǎo)航系統(tǒng)，自主導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)場(chǎng)景三維地圖和RGB-D傳感器17、超聲波傳感器進(jìn)行自身精確定位，定位完成后根據(jù)任務(wù)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃的軌跡生成運(yùn)動(dòng)指令發(fā)給機(jī)器人主體3，由機(jī)器人完成任務(wù);如果云平臺(tái)上沒(méi)有對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的三維地圖，則自主避障導(dǎo)航模塊啟動(dòng)場(chǎng)景地圖構(gòu)建程序，整個(gè)過(guò)程如前面所述，待地圖構(gòu)建完成后，將地圖上傳到云平臺(tái)，同時(shí)根據(jù)任務(wù)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，完成任務(wù);如果確認(rèn)不是新環(huán)境，則檢測(cè)避障導(dǎo)航電路板18中是否存儲(chǔ)著本場(chǎng)景的三維地圖，如果三維地圖與地理位置信息重合，則開(kāi)啟自身定位，進(jìn)行任務(wù)路徑規(guī)劃直至完成任務(wù)；如果三維地圖與地理位置信息不符，則將地理位置信息發(fā)送到云平臺(tái)，下載對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景的三維地圖，下載完成后開(kāi)啟自身定位，進(jìn)行任務(wù)路徑規(guī)劃直至完成任務(wù)。當(dāng)任務(wù)完成后，自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)將機(jī)器人導(dǎo)航回到充電位置進(jìn)行自動(dòng)充電，等待下一任務(wù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種自主避障導(dǎo)航信息共享和使用方法，其特征在于:包括 無(wú)人機(jī)或者機(jī)器人上電后，自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)上電，系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢通過(guò)后，先通過(guò)GPS模塊或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行初步定位，判斷自身是否處于一個(gè)新環(huán)境，如果是新環(huán)境，則將自身位置信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸?shù)皆破脚_(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊，云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊根據(jù)其位置信息查找場(chǎng)景三維地圖，如果找到對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的三維地圖，則通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)阶灾鞅苷蠈?dǎo)航系統(tǒng)，自主導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)場(chǎng)景三維地圖和傳感器進(jìn)行自身精確定位，定位完成后根據(jù)任務(wù)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃的軌跡生成運(yùn)動(dòng)指令發(fā)給無(wú)人機(jī)或機(jī)器人，由無(wú)人機(jī)或機(jī)器人完成任務(wù)； 如果云平臺(tái)上沒(méi)有對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的三維地圖，則自主避障導(dǎo)航模塊啟動(dòng)場(chǎng)景地圖構(gòu)建步驟，待地圖構(gòu)建完成后，將地圖上傳到云平臺(tái)，同時(shí)根據(jù)任務(wù)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，完成任務(wù)； 如果確認(rèn)不是新環(huán)境，則檢測(cè)是否存儲(chǔ)著本場(chǎng)景的三維地圖，如果三維地圖與地理位置信息重合，則開(kāi)啟自身定位，進(jìn)行任務(wù)路徑規(guī)劃直至完成任務(wù);如果三維地圖與地理位置信息不符，則將地理位置信息發(fā)送到云平臺(tái)，下載對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景的三維地圖，下載完成后開(kāi)啟自身定位，進(jìn)行任務(wù)路徑規(guī)劃直至完成任務(wù)。2.一種如權(quán)利要求1所述的一種自主避障導(dǎo)航信息共享和使用方法，其特征在于:場(chǎng)景地圖構(gòu)建步驟包括: 步驟I:先以起始點(diǎn)為中心，避障導(dǎo)航裝置或其載體旋轉(zhuǎn)360°，獲得了起始點(diǎn)360°的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分析并存儲(chǔ)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得出下一個(gè)掃描點(diǎn)的位置和到達(dá)軌跡，載體將按照指令運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)，并開(kāi)始360°掃描，繼續(xù)分析并存儲(chǔ)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù);在整個(gè)過(guò)程中，根據(jù)傳感器輸出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和慣性頂U(kuò)模塊輸出的姿態(tài)位置信息進(jìn)行三維點(diǎn)云的拼接，形成場(chǎng)景內(nèi)局部三維地圖，并根據(jù)場(chǎng)景內(nèi)局部三維地圖和掃描策略得到下一個(gè)掃描點(diǎn)，直至三維地圖構(gòu)建的第一步完成； 步驟二，還需要根據(jù)其他傳感器的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)三維地圖進(jìn)行修正，修正完成后，場(chǎng)景地圖構(gòu)建完成。3.一種如權(quán)利要求1所述的一種自主避障導(dǎo)航信息共享和使用方法，其特征在于:自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)和云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊通信，可將自身繪制的場(chǎng)景三維地圖和自身位置信息上傳至云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊，云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊根據(jù)接收到的場(chǎng)景三維地圖數(shù)據(jù)和地理位置信息將其存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊在收到自主避障導(dǎo)航模塊下載某個(gè)場(chǎng)景三維地圖數(shù)據(jù)時(shí)，首先將請(qǐng)求發(fā)送給數(shù)據(jù)瀏覽和分析模塊，數(shù)據(jù)瀏覽和分析模塊將根據(jù)自主避障導(dǎo)航模塊的地理數(shù)據(jù)信息在數(shù)據(jù)庫(kù)模塊中查找場(chǎng)景的三維地圖，如果找到對(duì)應(yīng)的三維地圖數(shù)據(jù)，則將地圖數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給自主避障導(dǎo)航模塊;如果沒(méi)有對(duì)應(yīng)的三維地圖數(shù)據(jù)，則將沒(méi)有地圖狀態(tài)信息傳輸給自主避障導(dǎo)航模塊，自主避障導(dǎo)航模塊則對(duì)場(chǎng)景開(kāi)始地圖構(gòu)建，構(gòu)建完成后將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)。4.一種如權(quán)利要求1所述的一種自主避障導(dǎo)航信息共享和使用方法，其特征在于:網(wǎng)絡(luò)通信均在網(wǎng)絡(luò)防火墻模塊的監(jiān)控下進(jìn)行，保證云平臺(tái)的安全。5.一種具備云平臺(tái)的自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于:包括 包含自主避障導(dǎo)航模塊和云平臺(tái)； 自主避障導(dǎo)航模塊安裝在無(wú)人機(jī)或機(jī)器人上，控制無(wú)人機(jī)或者機(jī)器人按照預(yù)定策略對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行遍歷，構(gòu)建場(chǎng)景的三維地圖，將三維地圖存儲(chǔ)在本地，同時(shí)將本場(chǎng)景的三維地圖和位置信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到云平臺(tái)； 云平臺(tái)將接收到的場(chǎng)景地圖數(shù)據(jù)按照一定的策略保存，以供后期其他無(wú)人機(jī)或機(jī)器人避障導(dǎo)航模塊根據(jù)地理位置信息下載。6.—種如權(quán)利要求5所述的具備云平臺(tái)的自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于:避障導(dǎo)航模塊包括超聲波傳感器、RGB-D傳感器或激光雷達(dá)、慣性頂U(kuò)模塊、GPS模塊及天線、無(wú)線通信模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊和避障導(dǎo)航電路板。7.—種如權(quán)利要求5所述的具備云平臺(tái)的自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于:所述云平臺(tái)包含數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、網(wǎng)絡(luò)防火墻模塊、數(shù)據(jù)瀏覽和分析模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊。8.一種如權(quán)利要求5所述的具備云平臺(tái)的自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于:其根據(jù)RGB-D傳感器的3D數(shù)據(jù)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云提取;根據(jù)慣性IMU模塊和GPS模塊進(jìn)行自身姿態(tài)和位置的確定;根據(jù)多個(gè)超聲波傳感器、RGB-D傳感器、慣性頂U(kuò)模塊的數(shù)據(jù)融合進(jìn)行場(chǎng)景地圖構(gòu)建、軌跡規(guī)劃和障礙物避讓，并形成運(yùn)動(dòng)指令通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送給無(wú)人機(jī)或機(jī)器人運(yùn)動(dòng)主體，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)主體根據(jù)指令控制機(jī)器人按照要求運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，慣性MU模塊實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人主體在場(chǎng)景中的位置和姿態(tài)，并將上述信息發(fā)送給避障導(dǎo)航電路板，避障導(dǎo)航電路板將根據(jù)慣性IMU模塊輸出的位置和姿態(tài)信息實(shí)時(shí)調(diào)整控制指令，形成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)負(fù)反饋控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按照規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)。9.一種如權(quán)利要求5所述的具備云平臺(tái)的自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于:整個(gè)云平臺(tái)具備防火墻和網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)置，只有通過(guò)認(rèn)證的避障導(dǎo)航模塊才可以下載，保證場(chǎng)景地圖數(shù)據(jù)的安全。10.—種機(jī)器人或無(wú)人機(jī)，使用如權(quán)利要求1-9所述的具備云平臺(tái)的自主避障導(dǎo)航系統(tǒng)或自主避障導(dǎo)航信息共享和使用方法。
【文檔編號(hào)】G01C21/00GK105823478SQ201610142551
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年3月14日
【發(fā)明人】李金輝, 胡進(jìn), 巨輝
【申請(qǐng)人】武漢卓拔科技有限公司