[發(fā)明專利]基于視覺示教的移動(dòng)機(jī)器人定位與導(dǎo)航系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810832511.8
• 申請(qǐng)日: 2018-07-26
• 公開（公告）號(hào): CN108919810A
• 公開（公告）日: 2018-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 方正;郭金迪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/02
• 分類號(hào): G05D1/02
• 代理公司: 沈陽東大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.一種基于視覺示教的移動(dòng)機(jī)器人定位與導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于：包括：工控機(jī)、相機(jī)、供電電源、車載電池、升壓模塊、底層運(yùn)動(dòng)控制單元、手柄；

所述底層運(yùn)動(dòng)控制單元包括差分輪小車、嵌入式開發(fā)板、光電編解碼器、直流減速電機(jī)、TTL轉(zhuǎn)USB模塊，用于實(shí)現(xiàn)小車平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制、顯示小車狀態(tài)信息以及編碼器數(shù)據(jù)的讀取與發(fā)送；所述差分輪小車和嵌入式開發(fā)板的電源端連接供電電源；所述相機(jī)通過螺絲固定在差分輪小車的上層平臺(tái)，且視角朝向差分輪小車前進(jìn)方向；所述光電編碼器安裝在差分輪小車的每個(gè)車輪上；直流減速電機(jī)安裝在差分輪小車的每個(gè)車輪上，用來控制差分輪小車電機(jī)轉(zhuǎn)速；

所述工控機(jī)通過USB接口與相機(jī)進(jìn)行通訊，獲取相機(jī)生成的圖像信息；工控機(jī)還與升壓模塊連接，所述升壓模塊的電源端連接車載電池，用于將車載電池的12V輸出電壓升高到工控機(jī)所需的19V電壓；工控機(jī)通過TTL轉(zhuǎn)USB模塊與嵌入式開發(fā)板連接，用于給嵌入式開發(fā)板發(fā)送控制指令，同時(shí)讀取車輪光電編碼器的數(shù)據(jù)，得出小車的里程計(jì)信息；

所述手柄與工控機(jī)連接，用于提供差分輪小車運(yùn)動(dòng)控制使能作用；

所述嵌入式開發(fā)板中存儲(chǔ)有底層運(yùn)動(dòng)控制程序，包括數(shù)據(jù)收發(fā)程序和電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制程序；數(shù)據(jù)收發(fā)程序基于SCIP2.0協(xié)議編寫，用于與工控機(jī)傳輸速度信息和編碼器數(shù)據(jù)；電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制程序用于將速度信息解算成PWM波以控制各直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)速；

所述工控機(jī)中存儲(chǔ)有基于linux操作系統(tǒng)下的ROS(即機(jī)器人操作系統(tǒng))平臺(tái)、采用C++語言編寫的示教軟件上層導(dǎo)航程序和PID控制程序，用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的完整運(yùn)行，所述示教軟件上層導(dǎo)航程序包括教學(xué)階段和重復(fù)階段；在教學(xué)階段，將機(jī)器人置于起始位置，由操作員操作手柄驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在前、后和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上移動(dòng)任意路徑，并記錄路徑點(diǎn)附近的圖像信息、車輛速度信息及由里程計(jì)信息得出的路徑點(diǎn)位置坐標(biāo)，路徑點(diǎn)附近的圖像信息由相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝，完成后，按工控機(jī)終端中的Ctrl-c鍵，停止錄制，記錄信息存儲(chǔ)在工控機(jī)中；在重復(fù)階段，所存的速度指令將再次回放，按住手柄使能鍵，機(jī)器人開始沿著教學(xué)階段的路徑自動(dòng)駕駛，機(jī)器人將實(shí)時(shí)讀取的相機(jī)圖像信息與它在教學(xué)階段保存的圖像信息采用ORB算法進(jìn)行匹配，并計(jì)算從讀取的圖像到記錄的圖像的轉(zhuǎn)換，然后將此轉(zhuǎn)換發(fā)送到PID控制程序進(jìn)行誤差補(bǔ)償，計(jì)算出車頭的偏向角速度和速度大小，將其疊加到所存速度中，從而補(bǔ)償車輛轉(zhuǎn)向和速度大小，以確保跟蹤預(yù)定的路徑，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重復(fù)在教學(xué)階段所教的路線；

所述底層運(yùn)動(dòng)控制程序用于接收示教軟件上層導(dǎo)航程序發(fā)送的速度控制指令，借助差分輪小車的特性，通過手柄的操作實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前、后和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺示教的移動(dòng)機(jī)器人定位與導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于：在所述教學(xué)階段中，存儲(chǔ)相機(jī)圖像信息和路徑點(diǎn)的時(shí)間戳應(yīng)保持一致，且根據(jù)場景范圍大小和目標(biāo)點(diǎn)定位精度要求自定義間隔距離，每隔一段間隔距離記錄一次圖像信息。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于視覺示教的移動(dòng)機(jī)器人定位與導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于：在所述教學(xué)階段中所存路徑點(diǎn)以文件形式存在工控機(jī)中，可重復(fù)使用，并且重復(fù)教學(xué)階段可獲得新的路徑。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于視覺示教的移動(dòng)機(jī)器人定位與導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于：在所述教學(xué)階段中加載文件中的路徑點(diǎn)和相機(jī)圖像信息至內(nèi)存中使用，判斷所有的點(diǎn)是否都已經(jīng)示教完，如果是，則示教結(jié)束；否則獲取下一個(gè)參考路徑點(diǎn)和相機(jī)圖像信息，并執(zhí)行后續(xù)操作。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺示教的移動(dòng)機(jī)器人定位與導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于：在所述重復(fù)階段，若差分輪小車速度接近于零且時(shí)間超過五秒或偏離參考路徑1m以上，停止繼續(xù)示教并報(bào)錯(cuò)或報(bào)警。

6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的基于視覺示教的移動(dòng)機(jī)器人定位與導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于：所述重復(fù)階段的起點(diǎn)須在教學(xué)階段起點(diǎn)的1m的距離范圍內(nèi)，且位姿朝向一致。