一種自主導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人及其自主導(dǎo)航的方法
【專利說明】一種自主導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人及其自主導(dǎo)航的方法
[0001] 背景領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人及其 自主導(dǎo)航的方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 在人工智能、機(jī)器人技術(shù)發(fā)展越來越發(fā)達(dá)的今天，出現(xiàn)了很多可以自行移動(dòng)的智 能設(shè)備，例如家用掃地的機(jī)器人、安防巡檢機(jī)器人等，這些智能設(shè)備通?？梢宰孕懈兄苓?環(huán)境，生成地圖并規(guī)劃行走路線。
[0004] 目前，市面上這些能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航行走的兩輪的移動(dòng)機(jī)器人，通常都是左右車 輪各使用一個(gè)馬達(dá)，通過兩邊馬達(dá)轉(zhuǎn)速不同達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，這種驅(qū)動(dòng)方式下，設(shè)備可以實(shí) 現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎，控制算法也相對(duì)比較容易。但是在一些體積較大、車身較重的設(shè)備中，使用類 似原理的四輪汽車或三輪車的驅(qū)動(dòng)方式更為合理，這種驅(qū)動(dòng)方式下，是依靠前輪（即方向 輪）轉(zhuǎn)動(dòng)方向來達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述問題，為了擴(kuò)展自主導(dǎo)航設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域，本發(fā)明提供了一種自主導(dǎo)航 的移動(dòng)機(jī)器人及其自主導(dǎo)航的方法，其主要通過一種自主導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人及其自主導(dǎo)航 的方法，其通過分別設(shè)置在方向輪，左后輪和右后輪的編碼器獲取方向輪，左后輪和右后輪 的角度和轉(zhuǎn)速，作為移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單方便同時(shí)保證了自主導(dǎo)航 的精度。
[0006] 本發(fā)明提供的自主導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人，至少包括：
[0007] 在方向輪電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制下實(shí)現(xiàn)所述移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向的至少一個(gè)方向輪；
[0008] 與所述方向輪連接的方向輪編碼器，用于讀取所述方向輪的轉(zhuǎn)向角度；
[0009] 分別與移動(dòng)機(jī)器人的左后輪和右后輪連接的后輪左編碼器和后輪右編碼器，分別 用于讀取所述左后輪和右后輪的運(yùn)轉(zhuǎn)圈數(shù)；
[0010] 分別與移動(dòng)機(jī)器人的左后輪、右后輪、和后輪電動(dòng)機(jī)連接的差速器，用于控制所述 左后輪和右后輪的轉(zhuǎn)速；
[0011] 激光雷達(dá)，獨(dú)立設(shè)置于所述移動(dòng)機(jī)器人上，在預(yù)設(shè)角度內(nèi)掃描所述移動(dòng)機(jī)器人移 動(dòng)過程中周圍的障礙物；
[0012] 多個(gè)超聲測(cè)距傳感器，設(shè)置在所述移動(dòng)機(jī)器人的四周，用于檢測(cè)所述移動(dòng)機(jī)器人 在移動(dòng)過程中四周的障礙物，彌補(bǔ)激光雷達(dá)的盲區(qū)；
[0013] 所述方向輪電動(dòng)機(jī)、后輪電動(dòng)機(jī)、激光雷達(dá)、超聲測(cè)距傳感器、方向輪編碼器、后輪 左編碼器、以及后輪右編碼器分別與所述移動(dòng)機(jī)器人中的總控制器連接，所述總控制器不 斷獲取所述激光雷達(dá)、超聲測(cè)距傳感器、方向輪編碼器、后輪左編碼器、以及后輪右編碼器 的數(shù)據(jù)，隨后利用自適應(yīng)蒙特卡羅定位方法通過SLAM算法實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的地圖構(gòu)建和 位置定位，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)路徑規(guī)劃和導(dǎo)航。
[0014] 在本技術(shù)方案中，分別針對(duì)左后輪和右后輪安裝編碼器，以獲取兩個(gè)后輪的運(yùn)轉(zhuǎn) 圈數(shù)，利用差速器來控制兩個(gè)后輪的速度，根據(jù)設(shè)置在方向輪的方向輪編碼器獲取方向輪 的轉(zhuǎn)向角度。
[0015] 優(yōu)選地，所述移動(dòng)機(jī)器人包括一個(gè)或兩個(gè)方向輪。
[0016] 優(yōu)選地，所述方向輪編碼器設(shè)置于方向輪的轉(zhuǎn)向立柱上或方向輪電動(dòng)機(jī)輸出軸的 部位。
[0017] 優(yōu)選地，所述激光雷達(dá)設(shè)置在所述移動(dòng)機(jī)器人的前部或中部，且所述預(yù)設(shè)角度大 于 60°〇
[0018] 在本技術(shù)方案中，激光雷達(dá)能夠掃面到的角度越大越好，這樣移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo) 航的精確度越高。
[0019] 一種移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航的方法，應(yīng)用于上述自主導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人，通過A-Star 算法或Dijkstra算法，在地圖上獲取移動(dòng)機(jī)器人從當(dāng)前位置到達(dá)目的地的最優(yōu)路徑，隨后 再根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前位置和當(dāng)前的速度判定所述移動(dòng)機(jī)器人下一步的移動(dòng)軌跡，其中，
[0020] 判定所述移動(dòng)機(jī)器人的下一步移動(dòng)軌跡具體包括以下步驟：
[0021] S1根據(jù)不同時(shí)刻后輪左編碼器和后輪右編碼器的讀數(shù)獲取移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前的線 性速度VX:
[0023] 其中：其中：lrpn表示n時(shí)刻后輪左編碼器的讀數(shù)，rrpn表示n時(shí)刻后輪右編碼器 的讀數(shù)，lrPlri表示n-1時(shí)刻后輪左編碼器的讀數(shù)，rrpu表示n-1時(shí)刻后輪右編碼器的讀 數(shù)，D表示移動(dòng)機(jī)器人左后輪和右后輪的直徑，RP表示后輪左編碼器和后輪左編碼器完整 一圈的讀數(shù)，t表不n時(shí)刻和n-1時(shí)刻的時(shí)間間隔；
[0024] 根據(jù)方向輪編碼器的讀數(shù)獲取方向輪的當(dāng)前角度ang:
[0025] ang=HAX(frp-FZRP),
[0026] 其中：HA表示方向輪編碼器每個(gè)讀數(shù)對(duì)應(yīng)的方向輪的角度，frp表示方向輪編碼 器的當(dāng)前讀數(shù)，F(xiàn)ZRP表示方向輪零角度時(shí)的編碼器讀數(shù)；
[0027] S2結(jié)合激光雷達(dá)、方向輪編碼器、后輪左編碼器、以及后輪右編碼器的數(shù)據(jù)，利用 自適應(yīng)蒙特卡羅定位方法，定位所述移動(dòng)機(jī)器人在環(huán)境中的位置；
[0028] S3對(duì)所述移動(dòng)機(jī)器人下一步移動(dòng)的線性速度和方向輪角度進(jìn)行采樣，其中，線性 速度SAM_VX的采樣范圍SAM_VX_BND為：
[0029] SAM_VX_BND=[max(vx-MIN_VAX, 0),min(vx+MAX_VAX,MAX_VX)],
[0030] 其中，MIN_VAX表示移動(dòng)機(jī)器人減速時(shí)的最大加速度，MAX_VAX為移動(dòng)機(jī)器人加速 時(shí)的最大加速度，MAX_VX為移動(dòng)機(jī)器人直線運(yùn)行的最大速度；
[0031] 方向輪角度的采樣范圍SAM_ANG_BND為：SAM_ANG_BND= [max(ang-MVZW，MIN_ ANG)，min(ang+MVZW，MAX_ANG)]，
[0032] 其中，"MVZW"表示方向輪的最大角速度，"MIN_ANG"表示方向輪向右能達(dá)到 的最大角度，"MAX_ANG"表示方向輪向左能達(dá)到的最大角度；
[0033]分別在所述線性速度和所述方向輪角度的采樣范圍選取預(yù)設(shè)數(shù)量的采樣值，分別 作為線性速度和方向輪角度的樣本值；
[0034] S4根據(jù)軸距、所述線性速度的樣本值、和所述方向輪角度的樣本值預(yù)測(cè)所述移動(dòng) 機(jī)器人的下一步移動(dòng)軌跡；
[0035] S5分別對(duì)每個(gè)所述線性速度的樣本值和方向輪角度的樣本值進(jìn)行評(píng)估，直到得到 最優(yōu)的樣本值，作為所述移動(dòng)機(jī)器人的下一步移動(dòng)的速度。
[0036] 優(yōu)選地，在步驟S3中，在對(duì)線性速度和方向輪角度采樣的過程中，設(shè)定所述移動(dòng) 機(jī)器人下一步移動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)度為Is。
[0037] 本發(fā)明提供的自主導(dǎo)航設(shè)備和自主導(dǎo)航方法，其有益效果在于：
[0038] 1.在本發(fā)明中，通過設(shè)置在左后輪和右后輪上分別安裝編碼器，讀取兩個(gè)后輪的 運(yùn)轉(zhuǎn)圈數(shù)，相比傳統(tǒng)的僅在馬達(dá)輸出軸上安裝一個(gè)編碼器的方式，可以推算出設(shè)備移動(dòng)的 位置和角度；
[0039] 2.通過設(shè)置在方向輪上的編碼器讀取方向輪的轉(zhuǎn)向角度，從而可以精確控制方向 輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，以精確地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的自主導(dǎo)航；
[0040] 3.在本發(fā)明中，通過對(duì)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行過程中的線性速度和方向輪角度進(jìn)行采 樣，以推定移動(dòng)機(jī)器人下一步移動(dòng)的軌跡，同時(shí)對(duì)采樣值中的樣本值進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)在移動(dòng) 機(jī)器人自主導(dǎo)航的過程中移動(dòng)軌跡的自動(dòng)規(guī)劃和優(yōu)化。
【附圖說明】
[0041] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明：
[0042] 圖1為本發(fā)明中自主導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人的底盤的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043] 圖2為本發(fā)明中自主導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044] 圖3為本發(fā)明中自主導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)軌跡評(píng)估示意圖。
[0045] 附圖標(biāo)記：
[0046] 101.方向輪，102.方向輪編碼器，103.方向輪電動(dòng)機(jī)，104.后輪電動(dòng)機(jī)，105.后輪 右編碼器，106.右后輪，107.差速器，108.左后輪，109.后輪左編碼器，110.激光雷達(dá)，111. 超聲測(cè)距傳感器，112.總控制器，113.方向輪控制器，114.后輪控制器，301.第一障礙物， 302.第二障礙物，303.移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前位置，304.預(yù)測(cè)的移動(dòng)機(jī)器人下一步的移動(dòng)軌跡
【具體實(shí)施方式】
[0047] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和實(shí)施 例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體的描述。下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例。對(duì)