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

在審

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

本發(fā)明提供一種基于視覺示教的移動機(jī)器人定位與導(dǎo)航系統(tǒng)，涉及移動機(jī)器人示教技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)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)動控制單元、手柄，底層運(yùn)動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，通過教學(xué)和重復(fù)兩個階段，在教學(xué)階段，車輛由手柄驅(qū)動，存儲由任意序列的動作組成的路徑，在重復(fù)階段，使用里程計(jì)信息作為距離索引教學(xué)階段所村圖像信息，來匹配當(dāng)前相機(jī)所采集的中圖像信息，計(jì)算出車頭的偏向角速度，將其疊加到所存速度中，從而補(bǔ)償車輛轉(zhuǎn)向，以確保它跟蹤預(yù)定的路徑。本發(fā)明無需相機(jī)反復(fù)標(biāo)定，可自主學(xué)習(xí)和遍歷任意形狀的路徑，重復(fù)地沿著預(yù)期路徑自動行駛。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及移動機(jī)器人示教技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于視覺示教的移動機(jī)器人定位與導(dǎo)航系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著人力成本的提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人，尤其是工業(yè)機(jī)器人，在工業(yè)自動化領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用。自動導(dǎo)航搬運(yùn)車(Automated Guided Vehicle，以下簡稱AGV，)也被稱作搬運(yùn)機(jī)器人，是現(xiàn)代智能物流系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，然而目前主流的AGV導(dǎo)引技術(shù)并不能使其在工作中從真正意義上實(shí)現(xiàn)完全自主。

導(dǎo)航作為核心技術(shù)之一，是AGV技術(shù)發(fā)展的最重要標(biāo)志。AGV根據(jù)導(dǎo)航方式不同可以分為固定路徑法和自由路徑法兩大類。

固定路徑法以電磁導(dǎo)引為代表，主要特點(diǎn)是預(yù)先給AGV設(shè)定路徑，AGV根據(jù)埋在路面下的電纜線產(chǎn)生電磁場調(diào)整自身的行駛方向。這種導(dǎo)引方式使用物理路徑，環(huán)境表示簡單，無需自動地圖創(chuàng)建技術(shù)，定位時(shí)只需要通過傳感器檢測車體與物理路徑之間的偏差，但固定軌跡的方式靈活性太低，不易維護(hù)，如果路徑改變的話，需要開鑿重新布線，成本太高。

自由路徑法主要包括激光導(dǎo)航、毫米波雷達(dá)導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)等。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)存在系統(tǒng)誤差；GPS定位系統(tǒng)由于定位誤差較大，難以適合定位精度要求很高的AGV。隨著科技的進(jìn)步，激光傳感器、圖像傳感器逐步應(yīng)用到AGV導(dǎo)航技術(shù)中。相較于攝像頭等車載傳感器，激光雷達(dá)具有高精度、高分辨率的優(yōu)勢，并已在很多自動駕駛試驗(yàn)車上廣泛搭載。但這種技術(shù)也有其無法忽略的缺點(diǎn)——成本高。近年來，由于圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，加上攝像頭成本低的優(yōu)點(diǎn)，基于視覺的導(dǎo)航技術(shù)受到廣泛關(guān)注。相比較而言，目前以攝像頭+軟件”的視覺導(dǎo)航技術(shù)，工業(yè)上容易達(dá)到且成本更低。

不過與傳統(tǒng)導(dǎo)航方式相比，視覺導(dǎo)航涉及面多，技術(shù)復(fù)雜。首先，視覺導(dǎo)航不存在物理路徑，因此無法像傳統(tǒng)導(dǎo)航方式那樣直接檢測車體與物理路徑之間的偏差。因此在視覺導(dǎo)航中，AGV通過車載相機(jī)實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，通過將環(huán)境數(shù)據(jù)的處理結(jié)果與事先建立的環(huán)境地圖進(jìn)行對比獲得自身在地圖中的位姿估計(jì)，這種位姿估計(jì)即定位比傳統(tǒng)導(dǎo)航方式中的直接偏差計(jì)算要復(fù)雜。其次，視覺導(dǎo)航中使用的地圖具有明顯的測度信息，需要進(jìn)行精確繪制，所創(chuàng)建的環(huán)境地圖精度影響AGV定位精度。

在未知環(huán)境中，由于環(huán)境感知傳感器的探測范圍和測量精度限制、環(huán)境中墻壁等物體對傳感器探測的遮擋等問題，機(jī)器人無法通過一次測量創(chuàng)建全局環(huán)境地圖。因此，機(jī)器人只能在不斷地環(huán)境探索過程中獲取足夠的環(huán)境感知數(shù)據(jù)，才能完成全局環(huán)境地圖的創(chuàng)建工作。對于機(jī)器人在環(huán)境中各個位置創(chuàng)建的局部地圖而言，只有確切地知道機(jī)器人各位置的位姿才能將該局部地圖轉(zhuǎn)換為全局地圖，即地圖的創(chuàng)建依賴于機(jī)器人的位姿。然而現(xiàn)實(shí)情況是，機(jī)器人的位姿往往是通過環(huán)境地圖得到的，即機(jī)器人的位姿依賴于環(huán)境地圖。位姿和地圖估計(jì)之間的這種相互依賴的關(guān)系給機(jī)器人在未知環(huán)境下的導(dǎo)航提出了新的課題，稱之為“同時(shí)定位與地圖構(gòu)建”(Simultaneous Localization and Mapping，以下簡稱SLAM)問題。SLAM的最終目的是創(chuàng)建一致的環(huán)境地圖，是否能夠?qū)崿F(xiàn)正確閉環(huán)是方法自身性能的一種體現(xiàn)；而基于閉環(huán)消除定位誤差的地圖創(chuàng)建方法，在通過航跡推測所估計(jì)的位姿誤差較大的情況下，只能通過輔助方法建立約束條件，即在建立正確閉環(huán)的前提下，再通過優(yōu)化方法校正機(jī)器人位姿和創(chuàng)建環(huán)境地圖。因此slam系統(tǒng)這樣的實(shí)現(xiàn)需要構(gòu)建全局一致的地圖因此帶來更高的計(jì)算成本。

發(fā)明內(nèi)容