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    重庆时时彩电脑开号: 一种基于超声波测量的机器人室内导航方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201510963172.3

    申请日:

    2015.12.21

    公开号:

    CN105606101A

    公开日:

    2016.05.25

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01C 21/20申请日:20151221|||公开
    IPC分类号: G01C21/20; G01S15/08 主分类号: G01C21/20
    申请人: 北京航天科工世纪卫星科技有限公司
    发明人: 王玥; 高鹏; 张海; 吕倩; 王婷; 吕学志
    地址: 100070 北京市丰台区南四环西路188号总部基地五区10号楼
    优先权:
    专利代理机构: 北京理工大学专利中心 11120 代理人: 仇蕾安;张瑜
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201510963172.3

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2018.07.17|||2016.06.22|||2016.05.25

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明提供一种基于超声波测量的机器人室内导航方法,应用于室内走廊上,其包括以下步骤:将两个超声波??榉直鸸潭ㄓ诨魅俗笥伊讲喽猿频奈恢蒙?,且两个超声波??榈姆ㄏ叻较蛴氲孛娴慕嵌任?;设定机器人在室内走廊上的运行轨迹,机器人运行;分别获得机器人与两侧墙壁之间的实际距离,以及走廊宽度;根据两个超声波??榛竦玫纳鲜鍪萁蟹治黾扑悴煌榭鱿禄魅搜毓旒7ㄏ蛭恢闷畹谋浠?;然后计算机器人修正后的偏向角,并根据该偏向角调整机器人的运行轨迹,是的当前运行轨迹与设定运行轨迹重合。本发明对机器人的航向角信息进行修正,提高了机器人长时间运行的可靠性。

    权利要求书

    1.一种基于超声波测量的机器人室内导航方法,应用于室内走廊上,其特征在于,包括
    以下步骤:
    步骤1,将两个超声波??榉直鸸潭ㄓ诨魅俗笥伊讲喽猿频奈恢蒙?,且两个超声波模
    块的法线方向与地面的角度为θ;
    步骤2,设定机器人在室内走廊上的运行轨迹,机器人运行;
    k时刻,根据分别获得机器人与两侧墙壁之间的实际距离DL(k)
    和DR(k);其中,DL测(k)、DR测(k)分别为左右两个超声波??樵诜ㄏ叻较蛏喜獾玫某??br />与墙壁之间的距离;
    根据Width(k)=DL(k)+DR(k)+W获得走廊宽度Width(k);其中W为所述机器人左右两侧
    对称的位置之间的宽度;
    步骤3,在k时刻,若航向角变化Δψ大于T1,则机器人继续按设定的运行轨迹运行;若航
    向角变化Δψ小于或等于T1,则执行步骤4;其中,航向角变化Δψ为当前航向与设定航向的
    差值;
    步骤4,将上一时刻的走廊宽度结果Width(k-1)与当前时刻的走廊宽度Width(k)作差,
    若差值大于阈值T2时,则执行步骤5;若差值小于或等于阈值T2时,则根据
    计算k时刻机器人沿轨迹法向位置偏差的
    变化量ΔXn(k),然后执行步骤6;
    其中,DL_temp及DR_temp为历史测距结果,通过前k-1个时刻两个超声波??榈牟饩嘟峁?br />别求平均值所得;
    步骤5,将DL(k)与历史测距结果DL_temp进行作差,将DR(k)与历史测距结果DR_temp进行作
    差,如果仅有一个差值大于T3,则根据令ΔXn(k)等于大于T3的差值,然后执行步骤6;
    如果两个差值均大于T3,则机器人继续按设定的运行轨迹运行;
    如果两个差值均小于或等于T3,则根据计
    算k时刻机器人沿轨迹法向位置偏差的变化量ΔXn(k),然后执行步骤6;
    步骤6,根据计算机器人修正后的偏向角ψUS,并根据
    该偏向角ψUS调整机器人的运行轨迹,使得当前运行轨迹与设定运行轨迹重合;其中,Xt(k)
    和Xt(k-1)是相邻两次航向角解算时刻的机器人沿轨迹切线方向位置结果,均通过DR解算
    获得。
    2.如权利要求1所述的基于超声波测量的机器人室内导航方法,其特征在于,θ为10度。
    3.如权利要求1所述的基于超声波测量的机器人室内导航方法,其特征在于,阈值T1为
    5°,阈值T2为4cm,阈值T3为3cm。

    说明书

    一种基于超声波测量的机器人室内导航方法

    技术领域

    本发明涉及导航控制技术领域,尤其涉及一种基于超声波测量的机器人室内导航
    方法。

    背景技术

    在室内环境中,移动机器人最基本的运行模式就是沿走廊进行直线行进,由于软
    硬件方面的各种因素(如驱动轮子的电机调速特性不一致、车轮安装误差、地面摩擦系数不
    同、控制量解算误差、导航参数解算误差等),导致机器人在沿直线轨迹行驶中会偏离设定
    轨迹,如果不进行纠偏则会无法完成预期功能。而在直线纠偏的过程中重要的参考信息是
    车辆的定位结果。

    使用惯性导航对机器人进行定位解算,由大量的机器人直线纠偏实验结果可知,
    航位推算的机器人位置信息在直线行驶的方向上精度较高,而在行进方向法线方向上解算
    结果与实际位置误差较大,这一误差主要来源于惯导解算中随时间误差累积的航向角。因
    此应当为机器人导航控制系统引入对环境中可用信息的测量,从而使用外部信息测量结果
    对惯性导航予以修正。

    发明内容

    本发明提供一种基于超声波测量的机器人室内导航方法,通过对机器人的航向角
    信息进行修正,提高了机器人长时间运行的可靠性。

    本发明是通过以下技术方案实现:

    一种基于超声波测量的机器人室内导航方法,应用于室内走廊上,其包括以下步
    骤:

    步骤1,将两个超声波??榉直鸸潭ㄓ诨魅俗笥伊讲喽猿频奈恢蒙?,且两个超声
    波??榈姆ㄏ叻较蛴氲孛娴慕嵌任?;

    步骤2,设定机器人在室内走廊上的运行轨迹,机器人运行;

    k时刻,根据分别获得机器人与两侧墙壁之间的实际距离DL
    (k)和DR(k);其中,DL测(k)、DR测(k)分别为左右两个超声波??樵诜ㄏ叻较蛏喜獾玫某?br />??橛肭奖谥涞木嗬?;

    根据Width(k)=DL(k)+DR(k)+W获得走廊宽度Width(k);其中W为所述机器人左右
    两侧对称的位置之间的宽度;

    步骤3,在k时刻,若航向角变化Δψ大于T1,则机器人继续按设定的运行轨迹运行;
    若航向角变化Δψ小于或等于T1,则执行步骤4;其中,航向角变化Δψ为当前航向与设定航
    向的差值;

    步骤4,将上一时刻的走廊宽度结果Width(k-1)与当前时刻的走廊宽度Width(k)
    作差,若差值大于阈值T2时,则执行步骤5;若差值小于或等于阈值T2时,则根据
    ΔX n ( k ) = { 1 2 [ ( D L _ t e m p - D L ( k ) ) + ( D R ( k ) - D R _ t e m p ) ] ]]>计算k时刻机器人沿轨迹法向位置偏差的
    变化量ΔXn(k),然后执行步骤6;

    其中,DL_temp及DR_temp为历史测距结果,通过前k-1个时刻两个超声波??榈牟饩嘟?br />果分别求平均值所得;

    步骤5,将DL(k)与历史测距结果DL_temp进行作差,将DR(k)与历史测距结果DR_temp进
    行作差,如果仅有一个差值大于T3,则根据令ΔXn(k)等于大于T3的差值,然后执行步骤6;

    如果两个差值均大于T3,则机器人继续按设定的运行轨迹运行;

    如果两个差值均小于或等于T3,则根据
    计算k时刻机器人沿轨迹法向位置偏差的变化量ΔXn(k),然后执行步骤6;

    步骤6,根据计算机器人修正后的偏向角ψUS,并
    根据该偏向角ψUS调整机器人的运行轨迹,是的当前运行轨迹与设定运行轨迹重合;其中,Xt
    (k)和Xt(k-1)是相邻两次航向角解算时刻的机器人沿轨迹切线方向位置结果,均通过DR解
    算获得。

    进一步的,所述θ为10度。

    进一步的,所述阈值T1为5°,阈值T2为4cm,阈值T3为3cm。

    与现有的技术相比,本发明的有益效果是:

    经过该算法的修正,机器人的航向角通过不断修正可以在长时间内维持在更高的
    精度,确保了系统的稳定运行。至此完成了机器人惯性/超声波组合导航算法的设计。

    附图说明

    图1为本发明的超声波??榘沧凹安饩嗍疽馔?;

    图2为本发明的超声波测距结果有效性判别流程图;

    图3为本发明的超声波测距求走廊宽度及航向角示意图;

    图4为本发明的使用超声波测距结果修正机器人航向角方法。

    具体实施方式

    为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对
    本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并
    不用于限定本发明。

    如图2所示,一种基于超声波测量的机器人室内导航方法,其包括以下步骤:

    步骤1,如图1所示,将两个超声波??榉直鸸潭ㄓ诨魅俗笥伊讲喽猿频奈恢蒙?,
    ??榫嗟孛?0cm左右。为了防止??榉⑸涞谋居Ρ磺矫娣瓷涞某ㄌ崆氨坏孛娣瓷?,将
    超声波??榍阈毕蛏习沧?。测试不同安装角度下??椴饬渴莸奈榷ㄐ约熬?,最终确定
    安装角度为10°。

    步骤2,设定机器人在室内走廊上的运行轨迹,机器人运行在k时刻,根据
    分别获得机器人与两侧墙壁之间的实际距离DL(k)和DR(k);其中,DL测
    (k)、DR测(k)分别为两个超声波??樵诜ㄏ叻较蛏喜獾玫某?橛肭奖谥涞木嗬?。

    实时获取机器人当前航向ψ,并与设定航向ψtarget比较。当机器人当前航向ψ与设定
    航向ψtarget不重合时,机器人距墙壁的垂直距离应当有


    考虑到计算的复杂度及航向角惯性解算的精度,在程序中设定当航向角偏差Δψ
    =ψ-ψtarget小于5°时,直接使用式(1)进行计算,降低计算量。

    根据Width(k)=DL(k)+DR(k)+W获得走廊宽度Width(k);其中W为机器人左右两侧
    对称的位置之间的宽度;

    步骤3,行进之前,可以控制机器人进行原地转弯,并不断采集左右两侧超声波测
    距结果进行分析,使其自动在初始时刻沿设定运行轨迹方向,在本申请中仅仅提出一个思
    考,本方案中设定机器人在初始时刻沿设定运行轨迹方向。如图3所示,在机器人顺时针原
    地旋转的过程中,测量的两侧障碍物距离是旋转的角度αn(机器人法线与设定航向之间的
    角度)的函数,即WLR(αn)。若两侧墙壁平行,则有墙体宽度Width表示为:

    Width=min(WLR(αn))(2)

    通过WLR(αn)第一次取最小值时对应的机器人顺时针旋转角度αn可以得出旋转的
    初始时刻机器人航向角ψ0,即机器人行进方向相对于走廊方向的夹角。有


    其中机器人的航向角ψ0及旋转角度αn均以顺时针旋转为正方向,且认为机器人的
    初始航向ψ0与走廊方向之间的夹角不会超过90°,旋转过程中超声波采样频率越高,测量结
    果的精度越高,但仍受限于超声波??榈牟饩嗑?。

    若在k时刻,航向角变化Δψ满足|Δψ|>T1,则判断机器人在进行大幅度转弯,不
    使用超声波的测距结果进行导航定位辅助解算,机器人继续按设定的运行轨迹运行;否则
    执行步骤4;

    步骤4,在机器人直行的情况下,通过存储的历史走廊宽度结果Width(k-1)与当前
    解算的走廊宽度结果Width(k)进行比较,当二者偏差超过阈值T2时,认为车辆经过的走廊
    墙面由平行连续的状态发生了跳变,并执行步骤5;若差值小于或等于阈值T2时,则两个超
    声波??榈牟饩嘟峁糜诟ㄖㄎ?,并根据 ΔX n ( k ) = { 1 2 [ ( D L _ t e m p - D L ( k ) ) + ( D R ( k ) - D R _ t e m p ) ] } ]]>
    计算k时刻机器人沿轨迹法向位置偏差的变化量ΔXn(k),然后执行步骤6;;

    步骤5,分别对左右侧超声波??榈牡鼻安饩嘟峁鸇L(k)与DR(k)与历史测距结果
    DL_temp及DR_temp进行作差并与T3比较,即

    | D L ( k ) - D L _ t e m p | > T 3 | D R ( k ) - D R _ t e p | > T 3 - - - ( 4 ) ]]>

    两个判断满足其一时,则说明走廊中该墙面处设有杂物,该侧超声波的测距结果
    不可用,仅使用另一侧超声波的测距结果进行辅助定位,并根据计
    算k时刻机器人沿轨迹法向位置偏差的变化量ΔXn(k),具体的,当左侧可用时计算公式为
    DL_temp-DL(k),当右侧可用时计算公式为DR(k)-DR_temp,然后执行步骤6;两个判断均满足,则
    此时刻数据不可用,重新采集数据;机器人继续按设定的运行轨迹运行。两个判断结果均不
    满足,则说明走廊中两侧墙壁形状均未发生改变,两侧超声波的测距结果均可用;并根据
    ΔX n ( k ) = { 1 2 [ ( D L _ t e m p - D L ( k ) ) + ( D R ( k ) - D R _ t e m p ) ] ]]>计算k时刻机器人沿轨迹法向位置偏差的
    变化量ΔXn(k),然后执行步骤6。

    其中,DL_temp及DR_temp为历史测距结果,通过前k-1个时刻两个超声波??榈牟饩嘟?br />果分别求平均值所得。效果较好的,如果在连续多次的测量解算中,墙壁的宽度Width、两侧
    超声波的测距结果DL及DR未发生大的改变,则将其存入缓存区,分别作为下一时刻的历史走
    廊宽度结果Width(k-1)以及超声波历史测距结果DL_temp及DR_temp。

    经过反复的实验,阈值T1确定为5°,阈值T2确定为4cm,阈值T3确定为3cm。

    综上所述,在第k次定位解算中,根据此结果DL(k)、DR(k)及历史数据DL_temp、DR_temp
    推算出k时刻机器人沿轨迹法向位置偏差的变化量ΔXn,有


    第k次解算完成后,更新历史数据DL_temp、DR_temp为第k次测量结果DL、DR。

    步骤6,根据计算机器人修正后的偏向角。式中,
    ψUS是用超声波测距结果求解的航向角,ΔXn(k)及ΔXn(k-1)分别为相邻两次超声波航向角
    解算时刻的机器人法向偏差结果,该结果已经经过了前文所述的方法进行修正;Xt(k)和Xt
    (k-1)是相邻两次超声波航向角解算时刻的机器人沿轨迹切线方向位置结果,该信息是通
    过DR解算获得的。如图4所示,根据该偏向角ψUS调整机器人的运行轨迹。

    在存储超声波测距数据的过程中,需要持续判断超声波数据是否可用,当且仅当
    连续15次超声波解算的结果均有效时,才进行解算;否则,清空超声波数据存储缓存区,重
    新进行解算周期的计时。

    当存储的超声波测距结果解算的航向角ψUS与惯导解算的航向角ψINS之差超过阈值
    Threshold_ψ时,使用超声波解算航向角ψUS更新惯导解算结果ψINS。经过该算法的修正,机器
    人的航向角通过不断修正可以在长时间内维持在更高的精度,确保了系统的稳定运行。至
    此完成了机器人惯性/超声波组合导航算法的设计。

    以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精
    神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的?;し段е?。

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    一种 基于 超声波 测量 机器人 室内 导航 方法
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