一種機器人定位導航系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及定位導航技術領域，特別是一種機器人定位導航系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 移動機器人導航是實現(xiàn)在復雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)依靠傳感器技術和人工智能技 術，從出發(fā)點運動到目的點的系統(tǒng)和方法。機器人是一種可以幫助人類完成服務性工作的 半自主或全自主工作的機器人。根據(jù)數(shù)據(jù)資料顯示，全球范圍內(nèi)的機器人有著廣泛的市場。 近年來，機器人市場發(fā)展保持了較快的增長速度。隨著勞動力價格日趨上漲，從事保安、看 護、清潔工作的簡單勞動力越來越少，但全球人口老齡化的加劇，看護等工作的人員需求卻 越來越多。為了彌補這種供需的巨大差異，機器人市場由此產(chǎn)生。
[0003] 路徑規(guī)劃技術是機器人研究領域的一個重要分支，是依據(jù)某個或某些優(yōu)化準則（ 如工作代價最小、行走路線最短、行走時間最短等），在其工作空間中找到一條從起始地點 到目標地點的能避開障礙物的最優(yōu)路徑。
[0004] 室內(nèi)是人類活動最密集，與人類生活生產(chǎn)最相關的場合。室內(nèi)定位可視為定位技 術與人聯(lián)系最緊密的一個組成部分，其存在的重要潛在應用，近年來吸引了大量的研究和 關注。室內(nèi)由于有大量墻體、屏風等障礙存在，多徑效應嚴重，場強分布不均甚至有盲區(qū)存 在。人員的頻繁移動、電子設備和門窗的開關等也給信號傳輸帶來大量隨機，不可測的干擾 和波動。因此針對復雜室內(nèi)環(huán)境的定位技術一直是研究的難點，也是學術界一直關注的熱 點問題。
[0005] 室內(nèi)定位技術大多采用短距無線定位技術，包含WLAN、RFID、藍牙、UWB等。但總體 而言它們都存在精度差的問題而不能用于機器人定位。當前采用這些技術的定位系統(tǒng)，最 高標稱能達到l〇cm，該精度基本上也是使用無線定位技術所能達到的極限精度?，F(xiàn)有的超 聲波定位技術主要存在以下缺陷：（1)超聲波傳輸過程衰減明顯；（2)超聲波受多徑效應和 非視距傳播影響。這些缺點導致現(xiàn)在的這些技術基本只能用于無人且環(huán)境較空的場所。
[0006] 另外，現(xiàn)有的機器人定位導航也存在以下不足：（1)機器人偏離運動軌跡后就會 迷路，不能正常工作；（2)當機器人在運動過程中遇到障礙物時，不能自動規(guī)劃繞道行駛。 【實用新型內(nèi)容】
[0007] 本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術的上述不足而提供一種定位精度高，可靠性 好，靈活性高的機器人定位導航系統(tǒng)。
[0008] 本實用新型的技術方案是：
[0009] -種機器人定位導航系統(tǒng)，包括多個固定位置的信標模塊、至少一個機器人定位 終端和電子導航平臺；
[0010] 所述信標模塊包括：
[0011] 第一無線收發(fā)模塊，用于以無線的方式與機器人定位終端和/或電子導航平臺聯(lián) 絡，收發(fā)指令和同步信號；
[0012] 超聲波發(fā)射模塊，用于發(fā)出已編址的超聲波信號；
[0013] 第一智能處理模塊，用于處理接收的指令和儲存超聲波編碼，處理同步時序安 排；
[0014] 所述機器人定位終端包括：
[0015] 第二無線收發(fā)模塊，用于負責與信標模塊和電子導航平臺聯(lián)絡，收發(fā)無線同步信 號，以及接收對待接收的超聲波信號做出的時序安排；
[0016] 超聲波接收陣列，用于接收來自不同角度的超聲波信號；
[0017] 第二智能處理模塊，包括陣列處理模塊和中央處理器；
[0018] 所述陣列處理模塊用于將接收的超聲波信號放大，根據(jù)其信號的強弱自動進行增 益控制，使輸出的超聲波模擬信號強度保持相對穩(wěn)定，并將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號；
[0019] 所述中央處理器用于處理接收到的指令、模塊各部分的邏輯關系、做出同步時序 安排、識別編碼、儲存和分析接收到的超聲波數(shù)據(jù)信息，并將超聲波數(shù)據(jù)會同電子導航平臺 發(fā)送來的電子地圖一起放入計算單元中進行計算處理，得到位置坐標數(shù)據(jù)；
[0020] 所述電子導航平臺用于存儲全部機器人的編碼，構(gòu)建電子地圖，規(guī)劃并計算機器 人的運動目標或路徑以及信標模塊的位置，使得機器人在允許的運動范圍內(nèi)都能夠獲得信 標模塊的交叉覆蓋；并將電子地圖以無線方式傳給機器人定位終端進行機器人的調(diào)度；還 用于協(xié)調(diào)信標模塊和機器人定位終端的同步，接收從各個機器人定位終端上傳的位置坐標 數(shù)據(jù)并顯示。
[0021] 進一步，所述超聲波接收陣列的上部搭載有障礙物掃描儀；所述障礙物掃描儀包 括同步旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；
[0022] 所述同步旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括設于超聲波接收陣列上的支架，支架上安裝伺服電機，伺 服電機通過旋轉(zhuǎn)搭載頭連接復合傳感器座，復合傳感器座上安裝有人體感應傳感器和超聲 波收發(fā)傳感器，伺服電機的下端連接編碼器；
[0023] 所述控制系統(tǒng)包括電機驅(qū)動模塊和障礙物掃描主控模塊，所述障礙物掃描主控模 塊的輸出端連接電機驅(qū)動模塊，障礙物掃描主控模塊的輸入端分別連接編碼器、人體感應 傳感器和超聲波收發(fā)傳感器，電機驅(qū)動模塊的輸出端連接伺服電機；所述障礙物掃描主控 模塊通過CAN總線分別連接電子導航平臺和機器人定位終端。
[0024] 進一步，所述超聲波收發(fā)傳感器通過超聲波信號放大器與所述障礙物掃描主控模 塊連接，所述超聲波信號放大器用于超聲波收發(fā)傳感器接收和發(fā)送的超聲波信號進行放 大。
[0025] 進一步，所述超聲波收發(fā)傳感器的前端安裝有用于收窄超聲波接收角度的吸音 管。
[0026] 進一步，所述陣列處理模塊包括前置放大模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊；
[0027] 所述前置放大模塊用于將接收的超聲波信號放大，根據(jù)其信號的強弱自動進行增 益控制，使輸出的超聲波模擬信號強度保持相對穩(wěn)定；
[0028] 所述A/D轉(zhuǎn)換模塊用于將檢測時間段內(nèi)的超聲波模擬信號連續(xù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 并存儲；通過中央處理器掃描采集到的超聲波信號幅度，處理該組超聲波數(shù)據(jù)；根據(jù)接收 到的超
[0029] 聲波脈沖群的平均幅值，來計算用于判斷的閾值；達到判斷閾值的點則認為當前 測試的超聲波信號到達起始點，否則認為是噪聲信號。
[0030] 進一步，所述電子導航平臺包括：
[0031] 搭載導航軟件的計算機，用于存儲全部機器人的編碼，構(gòu)建電子地圖，根據(jù)需要調(diào) 度機器人，控制多臺機器人同時完成各自的工作；
[0032] 第三無線收發(fā)模塊，用于傳送電子地圖給機器人定位終端，并發(fā)送定位同步信號， 協(xié)調(diào)信標模塊和機器人定位終端的時序，接收各個機器人定位終端上傳的位置坐標數(shù)據(jù)以 及障礙物掃描儀上傳的通知信息；
[0033] 顯示器，用于顯示電子地圖上的導航信息；
[0034] 電子地圖運算模塊，用于規(guī)劃并計算機器人的運動目標或路徑以及信標模塊的位 置，生成導航信息。
[0035] 進一步，所述電子地圖包括與機器人運動區(qū)域和信標模塊覆蓋區(qū)域分別相對應的 電子平面地圖和三維電子地圖。
[0036] 進一步，所述超聲波收發(fā)陣列為具有至少四個超聲波感應元的集成陣列，或由至 少四個獨立的超聲波傳感器分散而成的陣列；所述前置放大模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊的通道數(shù) 量與超聲波感應元的數(shù)量相對應。
[0037] 本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有如下特點：
[0038] (1)將接收到的超聲波信號根據(jù)其信號的強弱進行自動增益控制，輸出穩(wěn)定的動 態(tài)范圍，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，計算出判斷閾值，根據(jù)判斷閾值判斷當前信號為超聲波信號還 是噪聲信號，從而實現(xiàn)超聲波檢測，解決了超聲波信號在傳輸過程中的衰減問題；
[0039] (2)利用超聲波陣列中超聲波感應元之間的相位差和信號強度，分辨不同途徑的 超聲波，只取直線到達的超聲波，這樣可解決多徑效應和非視距傳播問題，濾除環(huán)境聲波的 干擾，縮短測試時間，大大提高測距精度和可靠性；
[0040] (3)使用編碼超聲波方式可便于確定接收的超聲波是否是需要的信標模塊發(fā)送 的，同時通過與發(fā)射源的理論編碼比對，判斷該組超聲波是不是需要的信標模塊發(fā)送的那 束超聲波，可精確確定超聲波的起始點和發(fā)射角度，提高測距的準確度；
[0041] (4)利用超聲波接收陣列接收超聲波信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，根據(jù)超聲波接收陣列與信 標模塊之間的超聲波信號的相位關系來判斷機器人的位置和方向，并會同電子地圖發(fā)送至 電子定位平臺，實現(xiàn)機器人的路徑規(guī)劃和定位；
[0042] (5)利用采集的2個以上信標模塊的超聲波信號，來計算信標模塊之間的絕對距 離與相對距離之間誤差百分率作為補償，進而計算出在當前環(huán)境條件下精確的聲速，精確 率高，成本低，計算簡單；
[0043] (6)通過掃描