[发明专利]一种移动机器人的位姿传感系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是一种移动机器人的位姿传感系统及其方法。

背景技术

随着计算机技术和自动控制理论的发展，机器人在国防、工业、农业以及服务业都得到了越来越广泛的应用。移动机器人位姿估计问题在机器人学中是一个最基本的问题，具体而言也就是通过机器人本身所装配的内外传感器获取环境信息，从而确定机器人自身位置和姿态的问题。机器人位姿估计是机器人重建环境地图、规划运行路径和航迹跟踪的前提，因此，机器人的位姿估计是一个非常重要的问题。根据公开文献资料，在本发明以前，移动机器人所采用的位姿估计方法大多都是根据里程计信息，利用航位推算法(Dead-Reckoning)来初步推算移动机器人的位姿，再利用超声波传感器、激光测距仪、摄像头等传感器采集路标信息来修正初始估计的位姿，从而得到移动机器人相对精确的位姿，或者直接利用全局视觉进行位姿估计。限于环境的复杂性，以及里程计所用到的光电编码盘的物理特性，机器人在启动、停止时编码盘有较大的误差；另一方面，由于驱动轮和地面有可能出现打滑现象。这些因素使得利用里程计估计位姿不可靠，导致移动机器人移动较长距离之后误差很大，尤其是在角度上；视觉类姿态估计方法由于是基于图像处理的，一般需要配置摄像头、图像采集卡和计算机，而且还需要配置操作系统(Windows、Unix、Linux)，软硬件成本很高。另外，由于图像处理的计算复杂性以及对环境的敏感性，很难保证位姿估计的实时性、简单性和可靠性。

以对现有技术的检索，根据哈尔滨工业大学洪炳镕等人的中国专利“全自主型移动机器人及其智能控制系统”[申请号02132744.0]中的描述，涉及一种移动机器人位姿估计装置，其自述为：设置我方机器人坐标系，启动视觉系统寻找对方球门左右边框，根据球门识别模板算出球门左右边框的底坐标(X₁，Y₁)、(X₂，Y₂)，由曲线拟合公式将左右边框底坐标换算成左右边框相对机器人的距离和角度，以此实现机器人的定位。该专利技术的不足之处在于：①采用通用平台，成本高、可靠性低；②采用视觉类位姿估计方法，计算量大，难以保证实时性；③这种基于特征点识别的位姿估计方法误差比较大，而且对视觉传感器对环境色差、光照强弱等因素很敏感。进一步检索，上海交通大学徐化等人的中国专利“基于数字信号处理器的足球机器人光电定位装置”[申请号：200410018304.7]中涉及到一种光电传感器的应用，其自述为：本发明涉及一种基于数字信号处理器的足球机器人光电定位装置，由光电传感器、传感器桥架机构和控制系统组成，控制系统包括DSP数字信号处理器、缓冲驱动芯片、JTAG测试仿真接口、通信硬件端口和通信驱动芯片，传感器桥架机构安装在机器人底部并与地面压紧，光电传感器安装在传感器桥架机构上并保持与地面贴近，光电传感器的输出信号通过缓冲驱动芯片调理后发送到DSP的相应信号捕获单元实现信号采集，DSP处理器的计算结果经通信驱动芯片送入通信硬件端口，实现与上位机通信及数据上发，使机器人获得当前位置信息。

该专利技术应用于足球机器人领域，但只能确定机器人的位置，不能估计机器人的姿态，而机器人在二维平面上运动时，只要稍微受到干扰，其姿态就有可能发生变化，所以只用这一种定位装置根本就不能确定机器人的位姿，必须和其它测量角度的装置结合起来使用；另外，其电路比较复杂，开发成本较高，虽然在功能上用模块化设计，但是由于电路板和传感器分离，必须通过接线连接，不易安装，容易受到干扰。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，为当今移动机器人提供一种原理简单、造价低廉、性能优越的位姿传感系统和方法，使机器人能够在实时地、简单地、可靠地进行位姿估计。由于本传感系统在特定环境下无论是测试平移量还是旋转量都精度很高，不仅仅可用在移动机器人领域，还可以用于其它机械制造业。