[發明專利]一種室內移動機器人自主導航避障系統及方法

無效

• 申請號: 201110218625.1
• 申請日: 2011-08-01
• 公開（公告）號: CN102359784A
• 公開（公告）日: 2012-02-22
• 發明（設計）人: 張云洲;李夏;范冠廷;徐開勇
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01S5/30
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.一種室內移動機器人自主導航避障系統，其特征在于：包括無線傳感器網絡和移動機器人， 無線傳感器網絡包括Cricket傳感器錨節點、Cricket傳感器接收節點和超聲波傳感器節點，以 Cricket傳感器和超聲波傳感器為載體，組成無線傳感器網絡WSN進行室內機器人定位和避 障導航，具體地：將室內環境劃分為若干網格，把超聲波傳感器節點按照劃分好的網格均勻 部署在天花板上，超聲波傳感器節點自發自收超聲波信號，用于探測環境障礙物信息；同時， 在天花板上隨機部署大于等于四個Cricket傳感器錨節點用于機器人定位，Cricket傳感器接收 節點用于接收Cricket傳感器錨節點發送的信號，移動機器人的主控單片機外接SCI串口通信 模塊，單片機通過該模塊與Cricket傳感器接收節點相連，Cricket傳感器接收節點收到信息后 通過SCI串口通信模塊將信息送入單片機中，采用分段極大似然質心算法對移動機器人進行 定位，實時探測環境信息，建立三維環境地圖和柵格地圖，構造路徑網格，基于膨脹算法和 Dijkstra算法進行全局路徑規劃。

2.一種室內移動機器人自主導航避障方法，其特征在于：按如下步驟實現自動導航避障：

步驟一：通過運行模式命令代碼MD將Cricket模塊設置為Beacon和Listener兩種模式： Cricket工作在Beacon模式下，被設置成錨節點；Cricket工作在Listener模式下，被設置成 接收節點，其中錨節點的個數大于等于四，接收節點的個數為一；

步驟二：在天花板上隨機部署Cricket傳感器錨節點，并記錄下各個錨節點的坐標值，用 于機器人定位；

步驟三：在天花板上按照劃分好的網格均勻部署超聲波傳感器節點，用于探測障礙物信 息；

將室內環境劃分為m×n的網格，每個網格的邊長為L，把超聲波傳感器節點按照劃分好 的網格均勻部署在天花板上，每個網格的中心對應一個傳感器節點，打開傳感器開關，則超 聲波傳感器與Cricket傳感器共同組建成一個無線傳感器網絡，其中超聲波傳感器自發自收超 聲波信號，Cricket傳感器由Beacon節點發送超聲波信號和無線電信號，由對應的Listener 節點接收；

步驟四：移動機器人平臺放置在地面，Cricket傳感器接收節點安放在移動機器人上，通 過SCI串口通信模塊與移動機器人的主控單片機相連，啟動機器人，實時測得的機器人到各 錨節點的距離就是該未知節點到各錨節點的距離；

步驟五：根據機器人自身高度、天花板與地面之間的距離以及步驟二中測得的機器人到 錨節點的距離，計算出機器人與各錨節點之間的距離投射在天花板二維平面上的投影；

步驟六：根據無線傳感器網絡中錨節點個數、各錨節點坐標值以及步驟五中的投影距離， 采用分段極大似然質心算法估算出機器人自身位置；

步驟七：由部署在天花板的各傳感器節點返回的距障礙物距離得到障礙物實際高度的離 散數據，采用三次樣條插值法建立三維環境地圖；

步驟八：對環境信息即障礙物高度，進行二值化處理，建立網格模型，根據處理的結果 對柵格單元賦值，從而得到二值化的柵格地圖；

步驟九：對步驟八中的柵格地圖進行擴張，即把障礙物與其邊界所在柵格逐步擴張到相 鄰的自由柵格區域，直至滿足擴張停止條件，從而構造路徑網絡；

障礙物擴張規則：

1)每次生長，障礙物所在柵格都按上下左右四個方向均勻生長；

2)每次障礙物擴張后所生長出來的柵格都被當成新的障礙物；

3)若在某個方向上滿足停止條件，則此柵格在下一次擴張時，此方向上停止擴張，其他方 向繼續擴張；

障礙物擴張停止的條件：

1)考慮到移動機器人的實際直徑為(2/3)L，L為每個柵格邊長，故兩障礙物或障礙物與 邊界之間的距離為一個柵格時，停止擴張；

2)若三個障礙物，或兩個障礙與邊界之間只有一個自由柵格時，停止擴張；

3)工作區域不存在自由柵格停止擴張；

滿足以上前兩個條件中的任意一個，該障礙物在此方向停止擴張，當滿足第三個條件時， 所有障礙物停止擴張，障礙物擴張后由2個區域交會形成交線，3個或3個以上區域交會形 成交點，定義交線為機器人可行走的路徑，所有交線的集合為路徑網絡，而交點則為路徑網 絡的基本節點；

步驟十：對步驟九中的路徑網絡標號、賦權值，構造帶權圖；

步驟十一：采用Dijkstra算法求得步驟十中帶權圖從起點到終點的最短路徑，此路徑即 為該系統機器人避障導航的最優路徑；

步驟十二：根據規劃出的最優路徑和步驟六中采用分段極大似然質心算法估計出的機器 人自身位置，移動機器人自主控制自身的行進，從而實現機器人自主避障導航。