一種超市購物機器人及其行進路徑規(guī)劃方法
【專利摘要】一種超市購物機器人及其行進路徑規(guī)劃方法，所述機器人系統(tǒng)由定位模塊、超聲波測距模塊、控制器模塊和電機驅(qū)動模塊組成；定位模塊通過電子羅盤檢測超市購物機器人當(dāng)前姿態(tài)角度信息，通過光電編碼器記錄機器人行進的里程，并將數(shù)據(jù)傳送至控制器模塊，由控制器模塊利用羅差補償算法修正角度測量值；超聲波測距模塊將檢測得到的障礙物距離信息傳送給控制器模塊；控制器模塊根據(jù)姿態(tài)角度與行進里程計算機器人當(dāng)前位置坐標，結(jié)合目標位置和障礙物距離，判斷下一步行走模式。本發(fā)明提高了機器人姿態(tài)角精度，能有效避開靜態(tài)和動態(tài)障礙物，提高了超市購物機器人的智能性、實用性以及環(huán)境適應(yīng)能力。
【專利說明】一種超市購物機器人及其行進路徑規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機器人及其行進路線設(shè)定方法，尤其是一種用于大型購物場所使用的載貨機器人及其路線規(guī)劃方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的生活消費水平日益提高，在各城市中出現(xiàn)了數(shù)量眾多的大型超市，超市購物機器人隨之開始出現(xiàn)。超市購物機器人能夠快速、自主獲取指定的商品，不僅提高了便利性，同時也能夠幫助具有運動障礙的人群在超市中購物。因此，研究超市購物機器人具有重要的社會價值和經(jīng)濟價值。
[0003]超市購物機器人是一個復(fù)雜的多功能系統(tǒng)，其路徑規(guī)劃問題是研究的核心問題之一。根據(jù)對地圖的認知程度可以分為基于已知地圖的全局路徑規(guī)劃和基于地圖部分已知或完全未知的局部路徑規(guī)劃。針對超市環(huán)境中全局地圖已知，顧客走動等突發(fā)因素引起的環(huán)境多變情況下，超市購物機器人局部路徑規(guī)劃顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種可自行移動并具有避障功能的超市購物機器人及其行進路徑規(guī)劃方法。
[0005]本發(fā)明一種超市購物機器人，所述機器人系統(tǒng)由定位模塊、超聲波測距模塊、控制器模塊和電機驅(qū)動模塊組成；所述的定位模塊中設(shè)有電子羅盤和光電編碼器；控制器模塊與電子羅盤通過I2C總線連接；光電編碼器的輸出端與控制器模塊連接；控制器模塊與超聲波測距模塊采用RS232串口通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸；控制器模塊的輸出端與電機驅(qū)動模塊連接，所述電機驅(qū)動模塊包括驅(qū)動電機以及受驅(qū)動電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動的滾輪。
[0006]所述超聲波測距模塊分為三組，分別安裝在機器人的正前方、左前方和右前方；三個超聲波測距模塊分別與控制器模塊接通。
[0007]所述超市購物機器人的行進路徑規(guī)劃方法，根據(jù)機器人起始位置和目標位置構(gòu)建機器人的行進路徑坐標系；機器人的起始位置為坐標原點，起始位置指向目標位置的直線為Y軸，該方向也是機器人行進路徑的主航向；軸以起始位置為定點順時針旋轉(zhuǎn)90度后即為X軸；由定位模塊中的電子羅盤獲取機器人的位姿角度，由光電編碼器獲取機器人的行進里程信息；利用羅差補償法修正機器人位姿角度并計算出機器人當(dāng)前位置坐標；控制器模塊根據(jù)機器人的當(dāng)前位置坐標和超聲波測距模塊探知的障礙物距離信息來判斷機器人的運動模式；所述機器人運動模式分為避障模式和面向目標直行模式；
[0008]所述避障模式，機器人通過安裝在正前方、左前方和右前方的三個超聲波測距模塊同時測量障礙物距離，三個超聲波測距模塊探測得到的障礙物距離信息作為模糊控制算法的輸入，運用模糊控制算法計算出機器人下一步轉(zhuǎn)向的角度和行進的距離，控制器模塊據(jù)此控制機器人的轉(zhuǎn)向和行進距離，完成一次直線段避障移動；此后控制器模塊繼續(xù)判斷機器人當(dāng)前位置是否滿足避障模式的脫離條件，如滿足條件則機器人進入面向目標直行模式，否則控制器模塊繼續(xù)探測障礙物信息并對機器人進行再次定位、計算轉(zhuǎn)向角和測量行進距離，再次完成一次直線段避障移動；依上述操作直至機器人繞開障礙物，面向目標位置進入直行模式；
[0009]所述面向目標直行模式:通過電子羅盤確定機器人已經(jīng)轉(zhuǎn)至正面面向目標位置，機器人開始直行前進或修正方向后直行前進；光電編碼器記錄機器人所行進的里程，超聲波測距模塊實時探測前方障礙物的距離；當(dāng)遇到障礙物時，機器人系統(tǒng)進入避障模式。
[0010]根據(jù)機器人當(dāng)前姿態(tài)角度和位置坐標計算虛擬航向回歸點，如果虛擬航向回歸點的縱坐標值處于當(dāng)前位置和目標位置縱坐標值之間，且超聲波測距模塊未探測到障礙物信息，則判定為滿足避障模式脫離條件；虛擬航向回歸點縱坐標值的計算公式如下，
[0011]Y0=Y1-XiXtan( Θ ) (I)
[0012]式(I)中，Y。為虛擬航向回歸點的縱坐標值，Y1為機器人當(dāng)前位置坐標的縱坐標值，Xi為機器人當(dāng)前位置坐標的橫坐標值，θ為機器人當(dāng)前姿態(tài)角度值。
[0013]使用時，定位模塊通過電子羅盤檢測超市購物機器人當(dāng)前姿態(tài)角度信息，通過光電編碼器記錄機器人行進的里程，并將數(shù)據(jù)傳送至控制器模塊，由控制器模塊利用羅差補償算法修正角度測量值；超聲波測距模塊將檢測得到的障礙物距離信息傳送給控制器模塊；控制器模塊根據(jù)姿態(tài)角度與行進里程計算機器人當(dāng)前位置坐標，結(jié)合目標位置和障礙物距離，判斷下一步行走模式。
[0014]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:運用電子羅盤和羅差補償法，提高了超市購物機器人姿態(tài)角精度；在遇到未知障礙物時，無需重新進行全局路徑規(guī)劃，能夠有效避開靜態(tài)和動態(tài)障礙物，提高了超市購物機器人智能性、實用性以及和環(huán)境適應(yīng)能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0016]圖2是本發(fā)明的機器人行進路徑流程圖。
[0017]圖3是本發(fā)明的機器人避障模式流程圖。
[0018]圖4是本發(fā)明的機器人俯視結(jié)構(gòu)簡圖。
[0019]圖5是本發(fā)明的機器人右視結(jié)構(gòu)簡圖。
[0020]圖6是本發(fā)明的機器人行進路徑的航向原理圖。
[0021]圖7是本發(fā)明的機器人行進路徑的軌跡圖。
[0022]圖中標號:1為超聲波測距模塊、2為控制器模塊、3為電子羅盤，4為電機驅(qū)動模塊、5為電動機、6為光電編碼器。
【具體實施方式】
[0023]在圖1所示的本發(fā)明的機器人的結(jié)構(gòu)框圖中，所述機器人系統(tǒng)由定位模塊、超聲波測距模塊、控制器模塊和電機驅(qū)動模塊組成；所述的定位模塊中設(shè)有電子羅盤和光電編碼器；控制器模塊與電子羅盤通過I2C總線連接；光電編碼器的輸出端與控制器模塊連接；控制器模塊與超聲波測距模塊采用RS232串口通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸；控制器模塊的輸出端與電機驅(qū)動模塊連接，所述電機驅(qū)動模塊包括驅(qū)動電機以及受驅(qū)動電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動的滾輪。所述的電機驅(qū)動模塊受控制器模塊輸出的PWM波控制，根據(jù)占空比控制左右直流電機的轉(zhuǎn)速。
[0024]電子羅盤自身包含放大器、濾波器以及A/D轉(zhuǎn)換模塊，根據(jù)地磁場方向與電子羅盤參考方向計算出方位角度，并通過I2C總線傳送至控制器模塊，控制器利用羅差補償算法對方位角度進行誤差補償。
[0025]光電編碼器是指安裝在機器人變速齒輪上的黑白條紋碼盤，通過檢測旋轉(zhuǎn)過的條紋數(shù)量計算得到機器人行進里程。
[0026]超聲波測距模塊采用時間度越法測量距離，并將距離信息通過RS232串口傳送至控制器模塊。
[0027]所述超聲波測距模塊分為三組，分別安裝在機器人的正前方、左前方和右前方；三個超聲波測距模塊分別與控制器模塊接通。
[0028]所述的物機器人行進路徑規(guī)劃方法，根據(jù)機器人起始位置和目標位置構(gòu)建機器人的行進路徑坐標系；機器人的起始位置為坐標原點，起始位置指向目標位置的直線為Y軸，該方向也是機器人行進路徑的主航向；y軸以起始位置為定點順時針旋轉(zhuǎn)90度后即為X軸；由定位模塊中的電子羅盤獲取機器人的位姿角度，由光電編碼器獲取機器人的行進里程信息；利用羅差補償法修正機器人位姿角度并計算出機器人當(dāng)前位置坐標；控制器模塊根據(jù)機器人的當(dāng)前位置坐標和超聲波測距模塊探知的障礙物距離信息來判斷機器人的運動模式；所述機器人運動模式分為避障模式和面向目標直行模式；
[0029]所述避障模式，機器人通過安裝在正前方、左前方和右前方的三個超聲波測距模塊同時測量障礙物距離，三個超聲波測距模塊探測得到的障礙物距離信息作為模糊控制算法的輸入，運用模糊控制算法計算出機器人下一步轉(zhuǎn)向的角度和行進的距離，控制器模塊據(jù)此控制機器人的轉(zhuǎn)向和行進距離，完成一次直線段避障移動；此后控制器模塊繼續(xù)判斷機器人當(dāng)前位置是否滿足避障模式的脫離條件，如滿足條件則機器人進入面向目標直行模式，否則控制器模塊繼續(xù)探測障礙物信息并對機器人進行再次定位、計算轉(zhuǎn)向角和測量行進距離，再次完成一次直線段避障移動；依上述操作直至機器人繞開障礙物，面向目標位置進入直行模式；
[0030]所述面向目標直行模式:通過電子羅盤確定機器人已經(jīng)轉(zhuǎn)至正面面向目標位置，機器人開始直行前進或修正方向后直行前進；光電編碼器記錄機器人所行進的里程，超聲波測距模塊實時探測前方障礙物的距離；當(dāng)遇到障礙物時，機器人系統(tǒng)進入避障模式。
[0031]根據(jù)機器人當(dāng)前姿態(tài)角度和位置坐標計算虛擬航向回歸點，如果虛擬航向回歸點的縱坐標值處于當(dāng)前位置和目標位置縱坐標值之間，且超聲波測距模塊未探測到障礙物信息，則判定為滿足避障模式脫離條件；虛擬航向回歸點縱坐標值的計算公式如下，
[0032]Y0=Y1-XiXtan( Θ ) (I)
[0033]式(I)中，Y。為虛擬航向回歸點的縱坐標值，Y1為機器人當(dāng)前位置坐標的縱坐標值，Xi為機器人當(dāng)前位置坐標的橫坐標值，θ為機器人當(dāng)前姿態(tài)角度值。
[0034]如圖2所示，控制器模塊通過定位模塊和超聲波測距模塊獲得機器人位姿和障礙物距離信息，判斷機器人應(yīng)當(dāng)處于何種運動模式以及是否滿足當(dāng)前運動模式脫離條件。
[0035]機器人開始進行路徑規(guī)劃時，控制器自動進入面向目標直行模式，通過定位模塊實時獲得電子羅盤參考方向的絕對角度，對其進行羅差補償?shù)玫礁鼫蚀_的角度數(shù)據(jù)，結(jié)合光電編碼器得到的行進里程，計算得到機器人當(dāng)前位置坐標，據(jù)此判斷是否到達目標點。如果已經(jīng)到達目標點，則結(jié)束此次局部路徑規(guī)劃任務(wù)。在局部路徑規(guī)劃過程中，通過超聲波測距模塊探測障礙物距離，判斷機器人是否需要進入避障模式，如果無需進入避障模式則保持面向目標直行模式，否則脫離面向目標直行模式，進入避障模式。當(dāng)控制器判斷機器人可以脫離避障模式時，再次進入面向目標直行模式。
[0036]如圖3所示，機器人處于避障模式時，控制器模塊根據(jù)超聲波測距模塊測得的障礙物距離，利用模糊控制算法計算出下一步機器人需要轉(zhuǎn)過的角度和行進里程，進而控制電機驅(qū)動模塊驅(qū)動機器人實現(xiàn)轉(zhuǎn)向及行進。執(zhí)行完一步運動后，由定位模塊獲取的角度和行進里程計算當(dāng)前位姿角度以及位置坐標，判斷是否滿足避障模式脫離條件。如果滿足，則進入面向目標直行模式，否則再次獲取障礙物距離執(zhí)行前述步驟。
[0037]如圖4、圖5所示，所述機器人系統(tǒng)由定位模塊、超聲波測距模塊、控制器模塊和電機驅(qū)動模塊組成。其中控制器模塊采用LPC1752單片機、電動機采用直流電動機。
[0038]如圖6所示，開始建立機器人坐標系,起始位置為坐標原點(O, O),起始位置與目標位置所在直線為Y軸。在起始位置處順時針90°方向為X軸正向。在此坐標系中，目標點位置坐標為(0，Yp)，機器人當(dāng)前位置為(Xi, Yi),由定位模塊中電子羅盤提供給控制器角度信息，經(jīng)過羅差補償后得到當(dāng)前機器人姿態(tài)角度Θ?？刂破鞲鶕?jù)機器人當(dāng)前位置坐標和姿態(tài)角度計算出正前方與主航向交點(0，Y。)，即虛擬航向回歸點。如果前方?jīng)]有障礙物并且計算得到的Y。小于Yp，則滿足脫離避障模式的條件。
[0039]如圖7所示，假設(shè)在起始位置與目標位置之間設(shè)置一個圓形障礙物，機器人由起始位置出發(fā)時處于面向目標直行模式，遇到障礙物時進入避障模式。當(dāng)滿足脫離避障模式條件時，重新進入面向目標直行模式，最終到達目標點。
【權(quán)利要求】
1.一種超市購物機器人，其特征在于:所述機器人系統(tǒng)由定位模塊、超聲波測距模塊、控制器模塊和電機驅(qū)動模塊組成；所述的定位模塊中設(shè)有電子羅盤和光電編碼器；控制器模塊與電子羅盤通過I2C總線連接；光電編碼器的輸出端與控制器模塊連接；控制器模塊與超聲波測距模塊采用RS232串口通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸；控制器模塊的輸出端與電機驅(qū)動模塊連接，所述電機驅(qū)動模塊包括驅(qū)動電機以及受驅(qū)動電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動的滾輪。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超市購物機器人，其特征在于:所述超聲波測距模塊分為三組，分別安裝在機器人的正前方、左前方和右前方；三個超聲波測距模塊分別與控制器豐旲塊接通。
3.一種超市購物機器人行進路徑規(guī)劃方法，其特征在于:根據(jù)機器人起始位置和目標位置構(gòu)建機器人的行進路徑坐標系；機器人的起始位置為坐標原點，起始位置指向目標位置的直線為Y軸，該方向也是機器人行進路徑的主航向，軸以起始位置為定點順時針旋轉(zhuǎn)90度后即為X軸；由定位模塊中的電子羅盤獲取機器人的位姿角度，由光電編碼器獲取機器人的行進里程信息；利用羅差補償法修正機器人位姿角度并計算出機器人當(dāng)前位置坐標；控制器模塊根據(jù)機器人的當(dāng)前位置坐標和超聲波測距模塊探知的障礙物距離信息來判斷機器人的運動模式；所述機器人運動模式分為避障模式和面向目標直行模式； 所述避障模式，機器人通過安裝在正前方、左前方和右前方的三個超聲波測距模塊同時測量障礙物距離，三個超聲波測距模塊探測得到的障礙物距離信息作為模糊控制算法的輸入，運用模糊控制算法計算出機器人下一步轉(zhuǎn)向的角度和行進的距離，控制器模塊據(jù)此控制機器人的轉(zhuǎn)向和行進距離，完成一次直線段避障移動；此后控制器模塊繼續(xù)判斷機器人當(dāng)前位置是否滿足避障模式的脫離條件，如滿足條件則機器人進入面向目標直行模式，否則控制器模塊繼續(xù)探測障礙物信息并對機器人進行再次定位、計算轉(zhuǎn)向角和測量行進距離，再次完成一次直線段避障移動；依上述操作直至機器人繞開障礙物，面向目標位置進入直行模式； 所述面向目標直行模式:通過電子羅盤確定機器人已經(jīng)轉(zhuǎn)至正面面向目標位置，機器人開始直行前進或修正方向后直行前進；光電編碼器記錄機器人所行進的里程，超聲波測距模塊實時探測前方障礙物的距離；當(dāng)遇到障礙物時，機器人系統(tǒng)進入避障模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種超市購物機器人行進路徑規(guī)劃方法，其特征在于:根據(jù)機器人當(dāng)前姿態(tài)角度和位置坐標計算虛擬航向回歸點，如果虛擬航向回歸點的縱坐標值處于當(dāng)前位置和目標位置縱坐標值之間，且超聲波測距模塊未探測到障礙物信息，則判定為滿足避障模式脫離條件；虛擬航向回歸點縱坐標值的計算公式如下， Y0=Y1-XiXtan( Θ ) (I) 式(I)中，Y。為虛擬航向回歸點的縱坐標值，Yi為機器人當(dāng)前位置坐標的縱坐標值，Xi為機器人當(dāng)前位置坐標的橫坐標值，Θ為機器人當(dāng)前姿態(tài)角度值。
【文檔編號】G05D1/02GK103592944SQ201310507564
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】吳曉光, 龔思緯, 杜義浩, 謝平 申請人:燕山大學(xué)