基於雷射導航的全方位運動機構控制系統的製作方法

2023-06-06 17:45:56

本發明涉及一種基於雷射導航的全方位運動機構控制系統。

背景技術：

隨著科學技術的發展，移動機器人技術得到快速發展，特別是AGV移動機器人，在工廠車間及倉儲物流方面得到越來越廣泛的應用。由於傳統的AGV移動機器人都有一定的轉彎半徑，不能適應狹窄的環境，所以出現了全方位移動機器人，該機器人運動靈活，能夠在保持自身位姿不變的情況下實現橫移、斜行以及繞自身軸線的旋轉運動，從而適應狹窄空間環境。對於一些特殊的工作環境，要求其在適應狹窄環境的同時，能夠在遠距離運行時沿固定路逕行走。

目前，路徑規劃是移動機器人技術的關鍵部分，而導航技術是路徑規劃能否實現的前提條件。AGV小車能夠實現路徑的自動導引，其關鍵就在於導航技術的引入以及對導引信息的識別。AGV的導引方式分類可按導引信息的不同來源劃分，也可按導引線路的不同形式進行劃分。按信息來源不同，可以分為內導式和外導式，常見的內導式主要有慣性法、坐標法等，常見的外導式主要有電磁感應、雷射、光學等。按線路形式劃分，可分為有線式和無線式，常見的有線式方法有電磁線、磁帶線、色帶線等，常見的無線式方法有超聲波、雷射、坐標、陀螺儀、衛星定位等。

在目前的換流閥廳中，由於其內部的強電磁場環境，空間結構的複雜性，一般不允許改變換流閥廳內部的環境條件；換流閥廳內部設備極其昂貴，必須保證內部設備的運行安全，因此實現對換流閥廳全方位運載機器人的精確穩定控制，對實現其運載功能及與壁面清潔機器人的協調配合實現清洗作業具有重要意義。

本發明設計了一種基於雷射導航的全方位運動機構控制系統，在控制全向輪運動的同時，基於RPLIDAR雷射雷達技術，實現對工作環境360°全方位雷射掃描，能夠實現機器人障礙物檢測、地圖構建、自主定位導航和路徑規劃，提高機器人的運動精度。

技術實現要素：

為了克服現有在變電站換流閥廳強磁場環境下，對移動機器人適應狹窄環境，實現靈活避障以及沿固定軌跡運動的特殊要求，存在的上述缺陷，本發明提供一種可實現全方位移動機器人沿固定路逕行走及提高運動精度的基於雷射導航的全方位運動機構控制系統。

本發明採用的技術方案是：

基於雷射導航的全方位運動機構控制系統,其特徵在於:包括基於ROS四軸控制系統的全向移動模塊以及基於RPLIDAR雷射雷達的導航模塊；其中，

所述的ROS四軸控制系統通過RPLIDAR雷射雷達實時反饋位置信息，通過驅動器控制檢測機器人的轉速和轉向，實現檢測機器人的橫移、斜行和繞自身軸線的原地旋轉運動，保證檢測機器人沿預定路逕行走；

所述的RPLIDAR雷射雷達可進行設定的半徑範圍的360°全方位掃描測距任務並且通過配套的USB連接線與PC機相連，所述的PC機通過RPLIDAR雷射雷達實現對檢測機器人的地圖構建和路徑規劃，並把規劃好的路徑信息存儲在全向移動模塊中；所述的RPLIDAR雷射雷達實時對檢測機器人進行導航定位，並把採集的位置信息實時傳遞給全向移動模塊，根據反饋的位置信息，ROS四軸控制系統不斷調整全向移動模塊使檢測機器人沿預定軌跡行走。

所述的檢測機器人包括機器人主體，還包括設置於機器人主體上的全向輪、驅動器、ROS四軸控制系統、RPLIDAR雷射雷達以及用於安裝限位開關的限位開關安裝板；所述的ROS四軸控制系統通過RPLIDAR雷射雷達實時反饋的位置信息，通過驅動器控制全向輪的轉速和轉向，實現檢測機器人的橫移、斜行和繞自身軸線的原地旋轉運動，保證檢測機器人沿預定路逕行走；所述的ROS四軸控制系統通過限位開關測得的位置信息，實現對檢測機器人停靠位置的精確控制。

還包括數據採集模塊，所述的數據採集模塊採集限位開關測得的位置信息，根據設計需求調整採樣速率。

還包括數據處理模塊和數據分析模塊，所述的數據處理模塊接收數據採集模塊採集的信號並通過數據分析模塊進行數據分析，將分析結果傳送至ROS四軸控制系統，ROS四軸控制系統根據分析結果調整檢測機器人的運動狀態，實現對檢測機器人運動狀態及路徑的控制。

所述的RPLIDAR雷射雷達4具有2-10Hz可配置的掃描頻率，可通過電機PWM信號控制RPLIDAR雷射雷達的掃描頻率。該雷射雷達在5.5Hz的掃描頻率時能夠實現測距解析度為當前距離值的0.2％，該導航模塊通過對工作環境進行建模，進行軌跡規劃，可根據採集的位置信號進行實時在線調整運動狀態，可實現對機器人系統的精確導航。

計算機通過雷射雷達實現對機器人的地圖構建和路徑規劃，並把規劃好的路徑信息存儲在ROS控制系統中，雷射雷達實時對檢測機器人進行導航定位，並把採集的位置信息實時傳遞給ROS控制系統，依據反饋的位置信息，ROS控制系統不斷調整全向移動模塊，使機器人沿預定軌跡行走。進一步，ROS控制系統通過限位開關測得的位置信息，實現對機器人停靠位置的精確控制。

本發明的技術構思為：首先機器人通過RPLIDAR雷射雷達對工作環境進行360°全方位位置掃描和地圖構建，實現對機器人的路徑規劃，並把規劃好的路徑信息存儲在ROS控制系統中，雷射雷達實時對機器人進行導航定位，並把採集的位置信息實時傳遞給ROS控制系統，根據反饋的位置信息，ROS控制系統不斷調整全向移動模塊中各全向輪的轉向和轉速，使機器人沿預定軌跡行走。其次，啟動RPLIDAR雷射雷達，對工作環境進行360°全方位位置掃描和地圖構建，並通過計算機存儲的軌跡規劃路徑，通過位置傳感器對機器人的停靠位置進行精確控制。再其次，雷射雷達通過雷射反射後對位置信息進行採集並進行地圖構建，通過數據採集模塊，將其傳送至數據分析模塊，數據分析模塊將其保存至非易失存儲器中，作為原始數據。

本發明的有益效果體現在：

1、在控制全向輪運動的同時，基於RPLIDAR雷射雷達技術，實現對工作環境360°全方位雷射掃描，能夠實現機器人障礙物檢測、地圖構建、自主定位導航和路徑規劃，提高機器人的運動精度。

2、一方面很好地提高了機器人的運動精度，機器人在沿預定軌跡運動的同時實現靈活避障；另一方面實現了最大限度不改變換流閥廳的內部環境。為全方位移動機器人的廣泛應用奠定重要基礎。

附圖說明

圖1是本發明整體結構示意圖。

圖2是本發明雷射雷達導航系統工作示意圖。

圖3是本發明整體系統運行流程圖。本發明

具體實施方式

參照圖1至圖3，基於雷射導航的全方位運動機構控制系統，包括基於ROS四軸控制系統3的全向移動模塊以及基於RPLIDAR雷射雷達4的導航模塊；其中，

所述的ROS四軸控制系統3通過RPLIDAR雷射雷達4實時反饋位置信息，通過驅動器2控制檢測機器人10的轉速和轉向，實現檢測機器人10的橫移、斜行和繞自身軸線的原地旋轉運動，保證檢測機器人沿預定路逕行走；

所述的RPLIDAR雷射雷達4可進行設定的半徑範圍的360°全方位掃描測距任務並且通過配套的USB連接線與PC機8相連，所述的PC機8通過RPLIDAR雷射雷達4實現對檢測機器人10的地圖構建和路徑規劃，並把規劃好的路徑信息存儲在全向移動模塊9中；所述的RPLIDAR雷射雷達4實時對檢測機器人進行導航定位，並把採集的位置信息實時傳遞給全向移動模塊9，根據反饋的位置信息，ROS四軸控制系統3不斷調整全向移動模塊使檢測機器人10沿預定軌跡行走。

所述的檢測機器人10包括機器人主體，還包括設置於機器人主體上的全向輪1、驅動器2、ROS四軸控制系統3、RPLIDAR雷射雷達4以及用於安裝限位開關5的限位開關安裝板6；所述的ROS四軸控制系統3通過RPLIDAR雷射雷達4實時反饋的位置信息，通過驅動器2控制全向輪1的轉速和轉向，實現檢測機器人10的橫移、斜行和繞自身軸線的原地旋轉運動，保證檢測機器人10沿預定路逕行走；所述的ROS四軸控制系統3通過限位開關5測得的位置信息，實現對檢測機器人停靠位置的精確控制。

還包括數據採集模塊12，所述的數據採集模塊12採集限位開關5測得的位置信息，根據設計需求調整採樣速率。

還包括數據處理模塊7和數據分析模塊11，所述的數據處理模塊7接收數據採集模塊12採集的信號並通過數據分析模塊11進行數據分析，將分析結果傳送至ROS四軸控制系統3，ROS四軸控制系統3根據分析結果調整檢測機器人10的運動狀態，實現對檢測機器人運動狀態及路徑的控制。

所述的RPLIDAR雷射雷達4具有2-10Hz可配置的掃描頻率，可通過電機PWM信號控制RPLIDAR雷射雷達的掃描頻率。該雷射雷達在5.5Hz的掃描頻率時能夠實現測距解析度為當前距離值的0.2％，該導航模塊通過對工作環境進行建模，進行軌跡規劃，可根據採集的位置信號進行實時在線調整運動狀態，可實現對機器人系統的精確導航。

計算機通過雷射雷達實現對機器人的地圖構建和路徑規劃，並把規劃好的路徑信息存儲在ROS控制系統中，雷射雷達實時對檢測機器人進行導航定位，並把採集的位置信息實時傳遞給ROS控制系統，依據反饋的位置信息，ROS控制系統不斷調整全向移動模塊，使機器人沿預定軌跡行走。進一步，ROS控制系統通過限位開關測得的位置信息，實現對機器人停靠位置的精確控制。

本實施例的工作過程為：

首先機器人通過RPLIDAR雷射雷達4對工作環境進行360°全方位位置掃描和地圖構建，實現對機器人的路徑規劃，並把規劃好的路徑信息存儲在ROS四軸控制系統3中，雷射雷達4實時對機器人進行導航定位，並把採集的位置信息實時傳遞給ROS四軸控制系統3，根據反饋的位置信息，ROS四軸控制系統3不斷調整全向移動模塊9中各全向輪的轉向和轉速，使機器人沿預定軌跡行走。進一步，啟動RPLIDAR雷射雷達4，對工作環境進行360°全方位位置掃描和地圖構建，並通過PC機8存儲的軌跡規劃路徑，通過限位開關5對機器人的停靠位置進行精確控制。

再進一步，雷射雷達4通過雷射反射後對位置信息進行採集並進行地圖構建，通過數據採集模塊12，將其傳送至數據分析模塊11，數據分析模塊11將其保存至非易失存儲器中，作為原始數據。雷射雷達4和ROS四軸控制系統3實現了機器人障礙物檢測、地圖構建、自主定位導航和路徑規劃，提高機器人的運動精度。附圖3說明了整個系統運行的流程。

本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護範圍不應當被視為僅限於實施例所陳述的具體形式，本發明的保護範圍也及於本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。