专利名称：一种移动机器人定位系统及其定位方法
技术领域：
本发明属于智能机器的移动定位技术领域，尤其涉及一种移动机器人的定位系统 及其定位方法。
背景技术：
随着计算机技术、微电子技术、网络技术的快速发展，移动机器人的关键技术得到 了更深入的研究，部分已走向成熟。移动机器人的工作环境具有非结构化和不确定性，因而 对机器人的要求也更高，其中的定位技术是一个十分关键的技术问题，而全局定位更是移 动机器人的一项重要功能，没有这种功能，机器人的任何自主运动都是盲目的。无论是何种 机器人，它在运动中始终要解决三个问题，即“现在何处？ ”、“去往何处？ ”、“如何去往？ ”，移 动机器人的定位、导航技术的研究就是为了解决上述三个问题。在定位领域已有里程计推算、基于视觉的路标识别、基于地图匹配的全局定位、陀 螺导航、GPS等多种定位方法，每种技术都有各自的优点及局限性，里程计推算虽然短期精 度高、成本低，但不能避免引来误差的无限累积；陀螺导航无需外部参考，但随时间有漂移， 不适合长时间的精确定位。针对移动机器人的未知非结构的工作环境，目前只有GPS才能 实现可实用的全局定位，但GPS受到精度、安全等因素的限制。在移动机器人的实际应用 中，一般都是多项定位技术的综合使用，实现优缺点互补以提高定位精度及可靠性。如中国 国家专利局于2010-02-03公开的专利号为“200920157556. 6”、名称为“一种集装箱自动搬 运车的定位导航系统”的专利，采用惯性导航、GPS、激光定位结合的定位方法，虽然定位实 时性好、精度高，但仍要依靠GPS才能实现。综上，目前的移动机器人远没有达到实用化的要求，其智能性也没有满足人类的 各种需求。本领域技术人员也在一直在努力尝试、探索更为实用、智能的机器人，但在移动 机器人定位技术上未能有突破性的发展。

发明内容
本发明所要解决的问题就是提供一种移动机器人定位系统及其定位方法，能精确 实施定位，加快机器人对外界的响应，避免复杂的推理，提高系统实时性与适用性。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案—种移动机器人定位系统，其特征在于包括基站；安装于移动机器人上的航位推测定位系统，所述航位推测定位系统包括用于获取 移动机器人角度信息的角速度传感器和用于获取移动机器人行走距离信息的位移传感器; 融合角度信息与行走距离信息后获得移动机器人在航位推测定位系统中的位置坐标；超声激光定位系统，所述超声激光定位系统包括安装在基站上的超声激光发射 装置、安装在移动机器人上的超声激光接收装置以及信息处理系统，通过超声激光发射装 置与超声激光接收装置之间的信息交换获得移动机器人在超声激光定位系统中的位置坐 标；
数据融合单元，所述数据融合单元用于航位推测定位系统中角度信息与行走距离 信息的融合以及航位推测定位系统与超声激光定位系统中两个位置坐标的融合；通过数据 融合单元实现超声激光定位系统对航位推测定位系统中累积误差的消除。进一步的，所述角速度传感器为MEMS数字陀螺仪，所述位移传感器为增量编码码
ο进一步的，所述超声激光发射装置包括带有光电码盘的激光发射器、对应安装在 激光发射器上的超声波发射器、驱动激光发射器与超声波发射器同步旋转的驱动装置；超 声激光接收装置包括由若干环形分布的激光接收器组成的激光接收阵列、由若干超声波接 收器组成且与激光接收阵列对应安装的超声波接收阵列。进一步的，激光接收阵列中至少有八个激光接收器，超声波接收阵列中至少有八 个超声波接收器，每个激光接收器与超声波接收器对应一个信号接收方向。其目的是尽可 能让移动机器人多方位的接收到来自基站的激光和超声波。进一步的，所述信息处理系统包括由激光、超声波信号触发外部中断的中央处理 模块以及用于交换信息的无线模块。进一步的，所述移动机器人上安装带有光电码盘的激光发射器，基站上安装有激 光接收阵列。移动机器人在环境中的位置信息，其朝向角也是重要的状态。陀螺仪所测量 的朝向存在随机漂移，为此，在移动机器人上同样安装一个带码盘的激光发射器，在基站上 安装一个激光接收阵列，用来测量基站在移动机器人坐标系中所处的角度，结合移动机器 人的坐标，就可以计算出移动机器人的朝向角。进一步的，所述超声激光定位系统还包括用于调节激光发射频率的激光发射电 路、用于提升超声波发射功率的超声波发射电路、二级信号放大电路以及鉴相电路。通过激 光发射电路的调节使移动机器人上的扫描激光和基站上扫描激光具有不用的发射频率，相 互不受干扰，同时也使得激光接收阵列只接收特定频率的激光，不受外界环境光线的干扰； 通过超声波发射电路可使超声波的测量距离达到20米以上，增加移动机器人的行动范围； 而二级信号放大电路及鉴相电路实现激光接收器上接收信号的放大处理以及相波解调，保 证激光和超声波的接收距离。进一步的，所述数据融合单元为卡尔曼滤波器，通过卡尔曼滤波策略将超声激光 定位系统的位置数据与航位推测定位系统获得的位置数据进行融合。为了进一步解决上述技术问题，本发明还提出了一种移动机器人定位方法，其特 征在于包括如下步骤1)由航位推测定位系统中的角速度传感器与位移传感器分别获取移动机器人的 角度信息与行走距离信息；并将角度信息与行走距离信息通过数据融合单元融合，获得航 位推测定位系统中移动机器人的位置坐标；2)基站上的超声激光发射装置与移动机器人上的超声激光接收装置通过信息处 理系统完成信息交换，获得超声激光定位系统中移动机器人的位置坐标；3)航位推测定位系统中移动机器人的位置坐标与超声激光定位系统中移动机器 人的位置坐标通过数据融合单元融合，消除航位推测定位系统中的累积误差。进一步的，还包括移动机器人朝向角的校正，其步骤为移动机器人上的激光发射 器发出扫描激光扫描基站；当基站上的激光接收阵列接收到扫描激光后通过无线模块告知移动机器人；由移动机器人上的光电码盘获取扫描激光的角度并进而转化为移动机器人在 基站坐标系中的角度信息；将该角度信息与航位推测定位系统中角速度传感器获取的角度 信息进行融合，消除角速度传感器的累积误差。进一步的，所述信息处理系统的信息交换步骤为1)基站上的激光发射器发出扫描激光，当移动机器人上的激光接收阵列接收到 该扫描激光时触发中央处理模块产生外部中断XINT1，并通过无线模块向基站发送标志信 号；2)基站接收到标志信号后，将安装在基站上光电码盘的角度信息通过无线模块发 送至移动机器人；3)移动机器人接收到角度信息后触发中央处理模块产生外部中断XINT13，并记 录接收时间；4)基站上的超声波发射器发出超声波，移动机器人上的超声波接收阵列接收到超 声波后触发中央处理模块产生外部中断XINT2，并记录接收时间。进一步的，航位推测定位系统中移动机器人的位置坐标通过如下公式获得
权利要求
1.一种移动机器人定位系统，其特征在于包括基站(1)；安装于移动机器人(2)上的航位推测定位系统，所述航位推测定位系统包括用于获取 移动机器人(2)角度信息的角速度传感器和用于获取移动机器人(2)行走距离信息的位移 传感器；融合角度信息与行走距离信息后获得移动机器人(2)在航位推测定位系统中的位 置坐标；超声激光定位系统，所述超声激光定位系统包括安装在基站(1)上的超声激光发射装 置、安装在移动机器人( 上的超声激光接收装置以及信息处理系统，通过超声激光发射 装置与超声激光接收装置之间的信息交换获得移动机器人( 在超声激光定位系统中的 位置坐标；数据融合单元，所述数据融合单元用于航位推测定位系统中角度信息与行走距离信息 的融合以及航位推测定位系统与超声激光定位系统中两个位置坐标的融合；通过数据融合 单元实现超声激光定位系统对航位推测定位系统中累积误差的消除。
2.根据权利要求1所述的一种移动机器人定位系统，其特征在于所述角速度传感器 为MEMS数字陀螺仪，所述位移传感器为增量编码码盘。
3.根据权利要求2所述的一种移动机器人定位系统，其特征在于所述超声激光发射 装置包括带有光电码盘(31)的激光发射器(3)、对应安装在激光发射器C3)上的超声波发 射器G)、驱动激光发射器( 与超声波发射器(4)同步旋转的驱动装置；超声激光接收装 置包括由若干环形分布的激光接收器组成的激光接收阵列( 、由若干超声波接收器组成 且与激光接收阵列(5)对应安装的超声波接收阵列(6)。
4.根据权利要求3所述的一种移动机器人定位系统，其特征在于激光接收阵列(5) 中至少有八个激光接收器，超声波接收阵列(6)中至少有八个超声波接收器，每个激光接 收器与超声波接收器对应一个信号接收方向。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种移动机器人定位系统，其特征在于所述信息 处理系统包括由激光、超声波信号触发外部中断的中央处理模块以及用于交换信息的无线 模块。
6.根据权利要求3所述的一种移动机器人定位系统，其特征在于所述移动机器人(2) 上安装带有光电码盘(31)的激光发射器(3)，基站(1)上安装有激光接收阵列(5)。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种移动机器人定位系统，其特征在于所述超声 激光定位系统还包括用于调节激光发射频率的激光发射电路、用于提升超声波发射功率的 超声波发射电路、二级信号放大电路以及鉴相电路。
8.根据权利要求1或2或3所述的一种移动机器人定位系统，其特征在于所述数据 融合单元为卡尔曼滤波器，通过卡尔曼滤波策略将超声激光定位系统的位置数据与航位推 测定位系统获得的位置数据进行融合。
9.一种移动机器人定位方法，其特征在于包括如下步骤1)由航位推测定位系统中的角速度传感器与位移传感器分别获取移动机器人O)的 角度信息与行走距离信息；并将角度信息与行走距离信息通过数据融合单元融合，获得航 位推测定位系统中移动机器人的位置坐标；2)基站(1)上的超声激光发射装置与移动机器人上的超声激光接收装置通过信息处 理系统完成信息交换，获得超声激光定位系统中移动机器人O)的位置坐标；3)航位推测定位系统中移动机器人O)的位置坐标与超声激光定位系统中移动机器 人O)的位置坐标通过数据融合单元融合，消除航位推测定位系统中的累积误差。
10.根据权利要求9所述的一种移动机器人定位方法，其特征在于还包括移动机器 人朝向角的校正，其步骤为移动机器人(2)上的激光发射器(3)发出扫描激光扫描基站(1)；当基站(1)上的激光接收阵列(5)接收到扫描激光后通过无线模块告知移动机器人(2)；由移动机器人( 上的光电码盘(31)获取扫描激光的角度并进而转化为移动机器人 (2)在基站(1)坐标系中的角度信息；将该角度信息与航位推测定位系统中角速度传感器 获取的角度信息进行融合，消除角速度传感器的累积误差。
11.根据权利要求9所述的一种移动机器人定位方法，其特征在于所述信息处理系统 的信息交换步骤为1)基站(1)上的激光发射器C3)发出扫描激光，当移动机器人( 上的激光接收阵列(5)接收到该扫描激光时触发中央处理模块产生外部中断XINT1，并通过无线模块向基站 (1)发送标志信号；2)基站(1)接收到标志信号后，将安装在基站(1)上光电码盘(31)的角度信息通过无 线模块发送至移动机器人O)；3)移动机器人( 接收到角度信息后触发中央处理模块产生外部中断XINT13，并记录 接收时间；4)基站(1)上的超声波发射器(4)发出超声波，移动机器人( 上的超声波接收阵列(6)接收到超声波后触发中央处理模块产生外部中断XINT2，并记录接收时间。
12.根据权利要求9所述的一种移动机器人定位方法，其特征在于航位推测定位系统 中移动机器人的位置坐标通过如下公式获得x(k) = x(k-l) + AxΛ β-x(k-l) + As· cos(0(k-1)+—)=飧-DW(離雕)) y(k) = y(k-\) + Ay\β=_ 1) + As · sin(汐(众-1) + —)= 7(Α:-1) + Δ5· sin(—---^----)1Λ Α .岸-1) + 0⑷、=_ 1) + As · sin(—-^———)其中的Δχ，Δγ, Δ θ分别表示移动机器人在一个循环周期内从(x(k-l)，y(k-l)， θ (k-1))点到(x(k)，y(k)，θ (k))点时横坐标χ、纵坐标y与角度θ的增加量；As表示 移动机器人从(χ (k-1), y (k-1), θ (k-1))点到(x(k)，y(k)，θ (k))点所走过的路径长度； 超声激光定位系统中移动机器人的位置坐标通过如下公式获得 X = drbcos (α) ;y = drbsin ( α )；其中drb表示移动机器人到基站之间的距离；α表示基站上光电码盘测得的角度数据；将上述航位推测定位系统在第k时刻计算出来的移动机器人位置坐标设为(xd(k)， yd(k))，超声激光定位系统计算出来的位置坐标设为(xa，ya)，则两个系统的位置坐标通过 下式进行融合x(k) = xd (k) +kx (xa-xd (k)) ； y(k) = yd (k)+ky (ya-yd (k))；其中1^、1^表示误差增益，取值在0.5-1.0;然后使(&(10，7(1(10) = (x(k)，y(k))，消 除航位推测定位系统中的累积误差。
全文摘要
本发明公开了一种移动机器人定位系统及其定位方法，定位系统包括基站；航位推测定位系统包括用于获取移动机器人角度信息的角速度传感器和用于获取移动机器人行走距离信息的位移传感器；超声激光定位系统包括安装在基站上的超声激光发射装置、安装在移动机器人上的超声激光接收装置以及信息处理系统，通过超声激光发射装置与超声激光接收装置之间的信息交换获得移动机器人在超声激光定位系统中的位置坐标；数据融合单元用于航位推测定位系统中角度信息与行走距离信息的融合以及航位推测定位系统与超声激光定位系统中两个位置坐标的融合；通过数据融合单元实现超声激光定位系统对航位推测定位系统中累积误差的消除。
文档编号G01C21/12GK102121827SQ201010582210
公开日2011年7月13日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者徐本亮, 朱琪, 钱兴桂, 陈勇, 雷蕾 申请人:浙江亚特电器有限公司, 浙江清华长三角研究院