[發明專利]一種混雜網絡融合下機器人航跡跟蹤系統及方法

在審

• 申請號: 201910763712.1
• 申請日: 2019-08-19
• 公開（公告）號: CN110332934A
• 公開（公告）日: 2019-10-15
• 發明（設計）人: 辛改芳;朱俊;唐靜
• 申請（專利權）人: 常州信息職業技術學院
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20;G01C25/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 王昊

1.一種混雜網絡融合下機器人航跡跟蹤系統，其特征在于包括由視覺圖像傳感器、無線發射器、無線接收器、可見光光源、光通信器件、慣性導航裝置和混雜數據融合單元，所述視覺圖像傳感器通過對圖像參數進行解算，得到機器人在全局空間粗定位輸出；所述無線發射器通過無線信號解算得到機器人在全局空間分布式定位輸出；所述慣性導航裝置利用慣性元件來敏感機器人的加速度和角加速度，經過解算得到其位置和姿態；所述光通信器件接受固定點的光源信號解算得到機器人在固定點的精確位置；所述混雜數據融合單元通過數據傳輸模塊接收視覺參數、無線參數、慣導參數以及可見光參數，并進行多源混雜數據下機器人實時軌跡跟蹤。

2.根據權利要求1所述的一種混雜網絡融合下機器人航跡跟蹤系統，其特征在于所述視覺圖像傳感器安裝在機器人移動區域，用于對機器人進行全局空間的目標確定；所述無線發射器在移動區域空間每隔一定距離進行三維部署，所述無線接收器安裝在機器人機身；在機器人機身安裝有三軸加速度計和三軸陀螺儀的慣性敏感元件；同時可見光源安裝在機器人移動區域，并需要標定其初始三維坐標，所述光通信器件安裝在機器人機身；在機器人機身的圖像信號、無線信號、光信號以及慣性信號通過有線方式傳輸到機器人機身的混雜數據融合單元，得到機器人在全空間的實時軌跡。

3.一種混雜網絡融合下機器人航跡跟蹤方法，其特征在于步驟包括：

1)在機器人運行空間部署無線發射器，當機器人機身的無線接收器接收無線發射器無線信號時，根據無線信號采樣序列四階矩與二階矩平方的比值來反映無線信號采樣數據的幅值特征，鑒別無線信號可視環境與非可視環境；

2)基于機器人無線測距-定位，采用無線信號到達時間作為無線接收器與無線發射器之間的信號源，以機器人當前所處位置作為定位子空間，選擇與無線接收器通信用時少而距離近的三個無線發射器參與定位解算，建立定位子空間內信號域與位置域的映射，結合該三個無線發射器所標定的三維坐標解算得到機器人分布式無線位置；

3)在對機器人初始姿態矩陣對準的基礎上，根據機器人初始姿態矩陣并結合陀螺儀輸出，采用圓錐優化算法對機器人姿態進行更新，得到機器人三維慣導姿態參數，同時在對哥氏加速度、重力加速度等有害加速度進行消除補償基礎上，考慮機器人運動速度匹配及位置誤差傳播特性，采用高階龍格庫塔積分解算機器人三維慣導位置；

4)機器人無線定位在部分區域存在錯誤定位，而機器人慣性導航在長航時容易存在累計誤差，基于位姿解算模型研究機器人定位誤差時間尺度上分布規律，以機器人在運行空間的幾何地理參數為約束函數，通過建立狀態方程和觀測方程采用擴展卡爾曼法求解機器人的實時位置；

5)機器人分布式無線定位存在錯誤位置而慣導導航存在累計誤差，在局部區域和長航時下機器人軌跡跟蹤會出現較大偏移，以運行區域內標定好的可見光源為發散載體，機器人機身的光通信器件接收識別光源中的調制信號并完成機器人在局部區域對應的精確位置，利用光信號求解的精確位置來對分布式無線和慣性導航組合位置進行定點校正，從而進一步提高機器人在全空間長航時的定位精度；

6)采用視覺圖像對機器人進行目標粗定位，采用慣性導航裝置得到機器人的三維實時精確姿態，采用分布式無線網絡、慣性導航裝置結合光通信定位得到機器人的三維精確位置，將機器人包含姿態和位置的運動參數傳輸到混雜數據處理單元，獲得多源混雜數據融合下機器人實時航跡，并在控制中心進行實時顯示。

4.根據權利要求3所述的一種混雜網絡融合下機器人航跡跟蹤方法，其特征在于所述步驟1)后采用攝像頭記錄的圖像作為軌跡跟蹤系統的數據輸入，來對空間區域內的移動機器人、人員、作業裝備動靜目標進行采集，基于灰度預處理采用像素區分法結合形態學分析判定空間區域內的機器人目標，從而激活該區域[c_min,c_max]，其中c_min＝(x_min,y_min,z_min)和c_max＝(x_max,y_max,z_max)對應的傳感器進行工作，c_min和c_max表示激活區域極值點的三維坐標。