一種機器人導航定位系統及導航定位方法

2023-06-26 03:45:41

專利名稱：一種機器人導航定位系統及導航定位方法
技術領域：
本發明涉及機器人定位導航領域，特別涉及一種機器人導航定位系統及導航定位方法。
背景技術：
機器人在許多場合被寄予了替代人類自動執行某些日常性與危險性任務的厚望。機器人自主導航與定位技術是移動機器人的關鍵技術。目前，移動機器人常用的導航方法有慣性導航、視覺導航、基於傳感器數據導航，衛星導航等以及它們的組合。
專利公告號CN 1569558A，名稱為「基於圖像表現特徵的移動機器人視覺導航方法」中公開了一種基於圖像特徵的機器人視覺導航方法。該發明通過移動機器人的視覺傳感器—攝像頭，獲取機器人所處位置的場景圖像，再根據已經構建好的場景地圖，在已知初始位置和目標位置的情況下，完成基於視覺的導航任務。移動機器人自動檢測自然標識物，對當前圖像與場景樣本庫中的圖像進行匹配，以確定當前位置。該發明適合於在超聲波、雷射、紅外等傳統導航方式較難適應的非結構場景的環境下，進行移動機器人的自定位。該發明將場景標識物檢測和場景圖像表現分析相結合，避免了對場景標識的精確分割和定位過程。然而，上述發明的導航方法的是基於視覺的機器人導航方法，該方法分為學習和工作兩個過程。使用在學習過程中獲得的場景地圖、建立的場景樣本庫等先驗知識進行導航。且在多數情況下，這些先驗知識的獲取是有一定難度的。
慣性導航是最基本也是最常用的導航方式，它利用機器人裝配的慣性導航器件，計算機器人航程，從而推知機器人當前的位置和下一步的目的地。慣性導航的優點是可以提供完全的自主性和完備的導航信息(位置、速度、姿態等)，但最大的缺點是隨著機器人航程的增長，定位的精度就會下降，而且定位誤差會隨航程的增長無限制地增加。引入外部信息可以限制慣性導航系統INS的固有漂移。目前最理想的外部信息是全球衛星定位系統GPS，GPS/INS組合系統可獲得相當高的導航精度。但GPS是由美國國防部控制的，對非美國國防部授權的用戶，其所能獲得的定位導航精度較低，且在戰場環境下GPS並非總是可靠的。特別是關係到國家安全的軍事等應用無法得到保障。因此，研究新的不依賴GPS的高精度定位導航系統和方法就顯得尤為迫切和重要。

發明內容
本發明的目的在於避免上述現有技術中的不足之處，提供一種基於無線傳感反應網絡的、不依賴GPS對機器人進行導航定位的新系統和方法，即一種機器人導航定位系統及導航定位方法。該系統和方法使用無線傳感器網絡實現移動機器人的導航定位，並能根據無線傳感反應網絡提供的實時環境信息對機器人的路徑規劃提供決策支持，使機器人在運動時能及時避開危險區域、選擇優化路徑。
本發明的技術方案是一種機器人導航定位系統及導航定位方法，包括無線傳感器網絡和機器人，其特徵在於無線傳感器網絡是由布撒於監控區域的無線傳感器網絡節點構成；無線傳感器網絡節點由具有感應、處理、通訊、定位功能的傳感單元、處理單元、定位模塊、無線模塊和電源模塊組成；機器人具有移動能力，其上安置有無線定位模塊，並置於布置了無線傳感器網絡的區域中；無線定位模塊由具有處理、通訊和定位功能的處理單元、定位模塊、無線模塊和電源模塊組成。
無線傳感器網絡節點可以具有溫度、溼度、振動、光照、輻照和氣體等對所處環境進行監測的傳感器；無線傳感器網絡節點的布撒可以採用事先空投、拋撒和發射等方式，也可以由機器人邊行進邊布撒。
機器人可以是配置無線定位模塊的移動機器人、人員、車輛或其它行動裝置；無線定位模塊，也可以具有傳感功能，以檢測機器人的狀態及其所處的環境信息，其通訊方式是無線電、聲、超聲和光等無線傳輸方式。
無線傳感器網絡節點和無線定位模塊的定位功能可以通過測量跳數、信號強度、到達時間、到達時間差、到達角度等方式實現。
一種機器人導航定位系統及導航定位方法，是一種不依賴GPS對移動機器人進行導航和定位的方法，該方法同樣適用於外星探測車輛、人員和裝備的導航與定位。其特徵在於是按以下步驟完成的將無線傳感器網絡節點布散於監控區域；已布撒的無線傳感器網絡節點根據設定的網絡結構，自動組網構建無線傳感器網絡；無線傳感器網絡使用定位模塊給各無線傳感器網絡節點初步定位；無線傳感器網絡獲取各無線傳感器網絡節點收集的環境信息；無線傳感器網絡使用一些簇頭節點來對環境信息篩選和融合；無線傳感器網絡結合融合後的環境信息有溫度、溼度、坡度給各無線傳感器網絡節點二次定位；無線傳感器網絡將篩選和融合後的各無線傳感器網絡節點的環境信息和位置信息傳給機器人；機器人對接收到的無線傳感器網絡的環境信息進行置信度判斷，誤差校正；機器人根據校正後的環境信息進行環境建模；機器人根據無線傳感器網絡的信息及自己的環境模型進行機器人定位、路徑規劃和導航；網絡結構和環境發生變化時，進行網絡維護，並重新環境建模、機器人定位、路徑規劃和導航。
網絡結構和環境不發生變化時，隨著機器人的移動，重新進行機器人的定位，並根據先前的規划進行導航。
相對於現有技術的有益效果是其一，現有技術中用於的導航定位的GPS是由美國國防部控制的，對非美國國防部授權的用戶，其所能獲得的定位導航精度較低，且在戰場環境下GPS並非總是可靠的。特別是關係到國家安全的軍事等應用無法得到保障。本發明研製的一種機器人導航定位系統，包括無線傳感器網絡和機器人，特別是無線傳感器網絡是由布撒於監控區域的無線傳感器網絡節點構成；無線傳感器網絡節點由具有感應、處理、通訊、定位功能的傳感單元、處理單元、定位模塊、無線模塊和電源模塊組成；機器人具有移動能力，其上安置有無線定位模塊，並置於布置了無線傳感器網絡的區域中；無線定位模塊由具有處理、通訊和定位功能的處理單元、定位模塊、無線模塊和電源模塊組成。因此，該系統使用無線傳感器網絡的信息進行導航定位，不依賴GPS等外部信息，在不能或不宜使用GPS的情況下，特別是軍事等敏感應用領域，能夠代替GPS，並能夠和慣性導航、視覺導航等方式進行組合實現移動機器人高精度定位和導航；該系統還可應用於外星球探測車與人員、設備等的導航與定位；該系統具有成本低、可靠性高、布置容易等優點。
其二，在本發明中，一種機器人導航定位系統的導航定位方法是按以下步驟完成的將無線傳感器網絡節點布散於監控區域；已布撒的無線傳感器網絡節點根據設定的網絡結構，自動組網形成無線傳感器網絡；無線傳感器網絡將各無線傳感器網絡節點的位置信息和收集的環境信息傳給機器人；機器人根據無線傳感器網絡的信息進行環境建模、定位、路徑規劃和導航。因此，該方法可利用無線傳感器網絡獲取的各種環境信息，如溫度、溼度、坡度等，為機器人導航與路徑規劃提供決策支持，使機器人在路徑規劃時能避開危險區域、選擇優化路徑。
其三，現有技術中基於視覺的導航方法，通常包括學習和工作兩個過程。使用在學習過程中獲得的場景地圖、建立的場景樣本庫等先驗知識進行導航。且在多數情況下，這些先驗知識的獲取是有一定難度的。本發明的一種機器人導航定位系統及導航定位方法，相對於現有技術中基於視覺的導航方法無須學習過程，直接通過傳感器節點獲取的信息，針對可能實時變化的環境信息，進行實時環境建模和機器人定位導航，環境適應性強、使用簡單。


下面結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
圖1是本發明的系統結構示意圖。
圖2是無線傳感器網絡節點結構示意圖。
圖3是無線定位模塊結構示意圖。
圖4是系統導航定位方法流程圖。
在圖1中，圖1是本發明的系統結構示意圖，1為無線傳感器網絡節點；2為無線傳感器網絡；3為機器人；4為無線定位模塊。
圖2中，圖2是無線傳感器網絡節點結構示意圖，5為傳感單元；6為處理單元；7為定位模塊；8為無線模塊；9為電源模塊。
圖3中，圖3是無線定位模塊結構示意圖，10為處理單元；11為定位模塊；12為無線模塊；13為電源模塊。
具體實施例方式
圖1是本發明的系統結構示意圖。圖中的無線傳感器網絡節點1被大量隨機拋撒於監控區域，通過自組網，形成無線傳感器網絡2；機器人3處於無線傳感器網絡2中；無線傳感器網絡2將各無線傳感器網絡節點1的位置信息及其收集的環境信息做一定的篩選與融合後傳給機器人3；機器人3通過無線定位模塊4和無線傳感器網絡2通訊，並根據無線傳感器網絡2的信息實現環境建模、定位、路徑規劃和導航。
圖2是無線傳感器網絡節點結構示意圖。圖中的傳感單元5負責環境信息的採集；處理單元6負責數據處理、通訊協議和定位算法的實現及各單元模塊的管理；定位模塊7負責節點定位功能的實現；無線模塊8負責網絡的無線通訊；電源模塊9負責節點的電源供應。
圖3是無線定位模塊結構示意圖。圖中的處理單元10可以根據需要選用處理能力更強的處理器，其它部分可以和無線傳感器網絡節點1相同。
圖4是系統導航定位方法流程圖。參見圖4，系統的導航定位方法和工作流程如下這種機器人定位導航，首先在監控的區域布撒無線傳感器網絡節點(步驟100)，布撒的無線傳感器網絡節點和附近的其他節點通訊，根據協議規定的網絡拓撲結構進行自組網，構建無線傳感器網絡(步驟110)，無線傳感器網絡中的各節點根據節點定位模塊提供的定位算法初步確定自身的位置(步驟120)，無線傳感器網絡中的各節點通過自身攜帶的傳感器獲取環境信息(步驟130)，並通過無線傳感器網絡的一些簇頭節點來對獲取的環境信息進行初步的篩選和融合(步驟140)，根據融合後的環境信息如溫度、溼度、坡度等對無線傳感器網絡二次定位(步驟150)，無線傳感器網絡將篩選融合後的各節點的位置信息和環境信息傳給機器人(步驟160)，機器人對接收到的無線傳感器網絡的環境信息進行置信度判斷、誤差校正(步驟170)，機器人根據校正後的環境信息，進行環境建模(步驟180)，機器人根據其和網絡節點的位置關係及以建立的環境模型，進行自身定位(步驟190)，機器人根據環境模型、當前位置和目標進行路徑規劃和導航(步驟200)，系統自動檢查網絡結構和環境是否發生變化(步驟210)，當檢查到網絡和環境發生變化時，自動進行網絡維護(步驟220)，並轉到步驟170，重新進行環境信息置信度判斷以及環境建模，否則直接轉至步驟190繼續進行機器人導航定位。
權利要求
1.一種機器人導航定位系統，包括無線傳感器網絡(2)和機器人(3)，其特徵在於所述無線傳感器網絡(2)是由布撒於監控區域的無線傳感器網絡節點(1)構成；所述無線傳感器網絡節點(1)由具有感應、處理、通訊、定位功能的傳感單元(5)、處理單元(6)、定位模塊(7)、無線模塊(8)和電源模塊(9)組成；所述機器人(3)，具有移動能力，其上安置有無線定位模塊(4)，並置於布置了無線傳感器網絡(2)的區域中；所述無線定位模塊(4)由具有處理、通訊和定位功能的處理單元(10)、定位模塊(11)、無線模塊(12)和電源模塊(13)組成，該系統能夠代替GPS實現移動機器人高精度定位和導航。
2.根據權利要求1所述的一種機器人導航定位系統，其特徵是所說無線傳感器網絡節點(1)具有溫度、溼度、振動、光照、輻照和氣體對所處環境進行監測的傳感器；且無線傳感器網絡節點(1)的布撒採用事先空投、拋撒和發射方式，或由機器人(3)邊行進邊布撒。
3.根據權利要求1所述的一種機器人導航定位系統，其特徵是所說機器人(3)是配置無線定位模塊的移動機器人、人員、車輛或其它行動裝置。
4.根據權利要求1所述的一種機器人導航定位系統，其特徵是所說的無線定位模塊(4)具有傳感功能，以檢測機器人(3)及其所處的環境信息，其通訊方式是無線電、聲、超聲和光。
5.根據權利要求1所述的一種機器人導航定位系統，所說無線傳感器網絡節點(1)中的定位模塊(7)定位功能通過測量跳數、信號強度、到達時間、到達時間差、到達角度實現。
6.一種機器人導航定位系統的導航定位方法，其特徵在於是按以下步驟完成的將無線傳感器網絡節點(1)布散於監控區域；已布撒的無線傳感器網絡節點(1)根據設定的網絡結構，自動組網構建無線傳感器網絡(2)；無線傳感器網絡(2)使用定位模塊(7)給各無線傳感器網絡節點(1)初步定位；無線傳感器網絡(2)獲取各無線傳感器網絡節點(1)收集的環境信息；無線傳感器網絡(2)使用一些簇頭節點來對環境信息篩選和融合；無線傳感器網絡(2)結合融合後的環境信息有溫度、溼度、坡度給各無線傳感器網絡節點(1)二次定位；無線傳感器網絡(2)將篩選和融合後的各無線傳感器網絡節點(1)的環境信息和位置信息傳給機器人(3)；機器人(3)對接收到的無線傳感器網絡(2)的環境信息進行置信度判斷，誤差校正；機器人(3)根據校正後的環境信息進行環境建模；機器人(3)根據無線傳感器網絡(2)的信息及自己的環境模型進行機器人定位、路徑規劃和導航；網絡結構和環境發生變化時，進行網絡維護，並重新環境建模、機器人定位、路徑規劃和導航；網絡結構和環境不發生變化時，隨著機器人(3)的移動，重新進行機器人(3)的定位，並根據先前的規划進行導航。
7.根據權利要求6所述一種機器人導航定位系統的導航定位方法，其特徵是該方法是一種不依賴GPS對移動機器人(3)進行導航和定位的方法。
8.根據權利要求6所述一種機器人導航定位系統的導航定位方法，其特徵是該方法同樣適用於外星探測車輛、人員和裝備的導航與定位。
全文摘要
本發明公開了一種機器人導航定位系統及導航定位方法。系統包括應用於機器人導航定位系統的無線傳感器網絡和機器人，無線傳感器網絡節點由傳感單元、處理單元、定位單元、無線模塊和電源模塊組成，機器人具有移動能力，其上安置有無線定位模塊；導航定位方法為將無線傳感器網絡節點布撒於監控區域，各節點通過自組網形成無線傳感器網絡，機器人根據無線傳感器網絡提供的位置和環境信息進行置信度判斷和校正，進而進行環境建模、定位、路徑規劃和導航。該發明能夠單獨或與慣性導航、視覺導航等方式進行組合實現移動機器人高精度定位和導航，可廣泛地用於各種不能或不宜使用GPS的場合，對移動機器人、運動車輛和人員進行導航定位。
文檔編號H04W4/02GK1945351SQ20061009697
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月21日 優先權日2006年10月21日
發明者梁華為, 陳萬明, 孟慶虎, 梅濤, 黃健, 繆仕福, 李帥, 尤著宏, 郭慶磊 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院