CN106646341A - 一种室内机器人导航装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种室内机器人导航装置，包括电路板，电路板上设置有运动控制模块、导航与定位模块、地图管理与路径规划模块、安全模块、人机交互管理模块。本发明克服了目前大多数导航方式定位精度差的问题。

Description

一种室内机器人导航装置

技术领域

本发明涉及导航技术领域，具体涉及一种室内机器人导航装置。

背景技术

移动机器人是一种在可复杂环境下工作，具有自规划、自组织、自适应能力的机器人，具有行动快捷、工作效率高、结构简单、可控性强、安全性好等优势，目前在国内外正在被广泛的应用。

在移动机器人相关技术研究中，导航技术属于其核心技术，也是实现智能化和自主移动的关键技术。传统的视觉导航一般采用多目视觉的方式，定位精度可以达到很高，但在运动过程中的实时运算量很大，不够灵活，且受光照等周围环境的影响比较大；其他导航方式或多或少存在着稳定性差、定位精度低、或布设维护成本高等缺点。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种室内机器人导航装置。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种室内机器人导航装置，包括电路板，所述电路板上设置有运动控制模块、导航与定位模块、地图管理与路径规划模块、安全模块、人机交互管理模块；

所述运动控制模块，用于机器人的运动姿态调整和运动状态控制；

所述导航与定位模块，通过在装置上贴电子标签获取机器人的准确位置，并通过其他标签位置进行导航，实现精确地机器人导航定位；

所述地图管理与路径规划模块，用于地图的构建和细化，机器人运动路径的规划；

所述安全模块用在装置异常时出现发出预警；

所述人机交互管理模块用于实现人机交互功能。

本发明的有益效果为：克服了目前大多数导航方式定位精度差的问题。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明的结构连接示意图；

附图标记：

电路板1、运动控制模块11、导航与定位模块12、地图管理与路径规划模块13、安全模块14、人机交互管理模块15。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本实施例的一种室内机器人导航装置，包括电路板1，所述电路板上设置有运动控制模块11、导航与定位模块12、地图管理与路径规划模块13、安全模块14、人机交互管理模块15；

所述运动控制模块11，用于机器人的运动姿态调整和运动状态控制；

所述导航与定位模块12，通过在装置上贴电子标签获取机器人的准确位置，并通过其他标签位置进行导航，实现精确地机器人导航定位；

所述地图管理与路径规划模块13，用于地图的构建和细化，机器人运动路径的规划；

所述安全模块14用在装置异常时出现发出预警；

所述人机交互管理模块15用于实现人机交互功能。

本实施例克服了目前大多数导航方式定位精度差的问题。

优选的，所述安全模块14，用于定时检测装置自身的安全状态，并执行相应的报警处理。

本优选实施例便于及时查找问题。

优选的，所述人机交互管理模块15，通过多种人机接口实现人机交互通讯、显示、配置和管理。

本优选实施例提升了客户体验。

优选的，所述导航与定位模块12包括第一定位子模块和第二评估子模块，所述第一定位子模块用于对未知位置标签进行定位，获取定位结果；所述第二评估子模块用于建立评价指标对该定位结果的精确性进行评估。

所述第一定位子模块在对未知位置标签进行定位时，利用已知位置标签和阅读器对未知位置标签完成定位；

该第一定位子模块包括第一变量计算单元、第二变量计算单元和位置确定单元；所述第一变量计算单元用于计算已知位置标签和未知位置标签在各阅读器上接收的信号强度；所述第二变量计算单元用于求取未知位置标签的信号接收强度和已知位置标签的信号接收强度之间的距离；所述位置确定单元用于求取未知位置标签的位置。

所述第一变量计算单元在计算已知位置标签和未知位置标签在各阅读器上接收的信号强度时，标签发射信号的收信场强在室内信道传播过程中的强度变化采用路径损耗模型反映，阅读器的信号接收强度S的计算公式为：

所述式子中，P_f为标签的信号发射功率，d为阅读器与标签距离，PL(d₀)为阅读器在参考点d₀处接收信号的信号接收强度衰减量，PL(d₀′)为阅读器在参考点d₀′处接收信号的信号接收强度衰减量，σ表示环境噪声的标准偏差，单位为dB；

在实际定位之前，采用两步法求取信号强度改正系数：

第一步：选取若干个测试位置标签，记录该测试位置标签在各阅读器上接收到的信号强度，建立各个测试位置标签上与信号强度的离散关系数据库，将由所述阅读器的信号接收强度S的计算公式得到的该测试位置标签的信号强度与离散关系数据库中的信号强度作为基础，计算出信号强度改正系数，

第二步：设离散关系数据库中的各个测试位置标签CS_ρ在各阅读器上的信号强度的标准差为σ(CS_ρ),ρ＝1,…,m，m为测试位置标签的数量，由所述阅读器的信号接收强度S的计算公式得到的测试位置标签CS_ρ在各阅读器上的信号强度的标准差为σ^*(CS_ρ)，则该信号强度改正系数为：

FD＝SP+3

实际定位的时候，采用优化后的阅读器的信号接收强度的计算公式，具体为：S′＝FD×S；

采用优化后的阅读器的信号接收强度的计算公式，计算出的某未知位置标签WZ_i在各阅读器上的接收的信号强度向量为：所述式子中，表示计算得到的WZ_i在阅读器R_l上的信号接收强度，l＝1,2,…,L；采用优化后的阅读器的信号接收强度的计算公式，计算出的某已知位置标签YZ_j在各阅读器上的接收的信号强度向量为：所述式子中，表示计算得到的YZ_j在阅读器R_l上的信号接收强度，l＝1,2,…,L。

本优选实施例第一变量计算单元在进行信号接收强度的计算过程中，充分考虑了在室内环境中电磁波的传输环境复杂性，且结合2个参考点进行计算，能够更为准确的还原发射信号；在进行未知位置标签和已知位置标签的信号强度计算时，引入信号强度改正系数，使得信号强度的计算更为精确。

优选的，所述未知位置标签的信号接收强度和已知位置标签的信号接收强度之间的距离按照下列公式进行计算：

所述式子中，表示未知位置标签WZ_i的信号接收强度和已知位置标签YZ_j的信号接收强度之间的距离，M表示已知位置标签YZ_j的数量。

所述求取未知位置标签的位置，采用以下方式进行：

(1)将未知位置标签的信号接收强度和已知位置标签的信号接收强度之间的距离表示为向量形式：计算中最小的k个元素，作为与未知位置标签WZ_i最近邻的标签，将各距离表示为向量形式：

(2)依据邻近程度赋予已知位置标签不同权重，从而估算出WZ_i坐标

所述式子中，为已知位置标签YZ_j的坐标；

本优选实施例第二变量计算单元在计算信号接收强度距离过程中，充分考虑了阅读器与标签的距离对信号接收强度可信度的影响，获取的标签距离可靠性更高；在求取未知位置标签过程中，充分考虑了已知位置标签和未知位置标签距离，求取的位置更为准确。

优选地，所述建立评价指标对该定位结果的精确性进行评估，具体为：定期采用定位估计误差WC对定位精度进行评估，

所述式子中，E为期望值，为WZ_i估算位置，为WZ_i真实位置。

所述第二评估子模块还设有定位故障报警机制，该定位故障报警机制为：

(1)位定位所允许的误差设定阈值，记录一段时间定期计算得到的定位估计误差WC，累积记录大于该误差阈值的定位估计误差WC的数量β，

(2)设某一次计算得到的定位估计误差为WC_λ，η为满足的定位估计误差的数量，其中WC_max、WC_min分别表示该一段时间定期记录中定位估计误差WC的平均值、最大值和最小值，当满足下列评判公式时，判断机器人定位出现定位故障，并进行相应的报警提示：

所述式子中，ξ为该一段时间定期记录的定位估计误差WC的数量，其中，λ＝1,…,ξ。

本优选实施例第二评估子模块对机器人定位精度进行评估，保证了机器人定位的长期可靠性，并且有助于对定位效果进行改进，获得机器人更加可靠的定位；设置定位故障报警机制，使得该定位能够依据历史估计误差数据提示定位的准确性，为对定位精度的改进提供更为科学的依据。

采用本发明室内机器人导航装置对室内机器人进行导航定位，当阅读器数量分别为20、21、22、23、24时，对机器人的100次导航情况进行分析，并将导航效率和导航时间作为评价导航装置性能的参数，与未采用本发明相比，本发明产生的有益效果如下表所示：

阅读器数量	机器人导航效率提高	导航故障率降低
			20	30％	30％
21	32％	32％
			22	33％	33％
23	35％	35％
			24	36％	36％

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (4)

1.一种室内机器人导航装置，其特征在于，包括电路板，所述电路板上设置有运动控制模块、导航与定位模块、地图管理与路径规划模块、安全模块、人机交互管理模块；

所述运动控制模块，用于机器人的运动姿态调整和运动状态控制；

所述导航与定位模块，通过在装置上贴电子标签获取机器人的准确位置，并通过其他标签位置进行导航，实现精确地机器人导航定位；

所述地图管理与路径规划模块，用于地图的构建和细化，机器人运动路径的规划；

所述安全模块用在装置异常时出现发出预警；

所述人机交互管理模块用于实现人机交互功能。

2.根据权利要求1所述的一种室内机器人导航装置，其特征是：所述安全模块，定时检测装置自身的安全状态，并执行相应的报警处理。

3.根据权利要求2所述的一种室内机器人导航装置，其特征是：所述人机交互管理模块，通过多种人机接口实现人机交互通讯、显示、配置和管理。

4.根据权利要求3所述的一种室内机器人导航装置，其特征是：所述导航与定位模块包括第一定位子模块和第二评估子模块，所述第一定位子模块用于对未知位置标签进行定位，获取定位结果，所述第二评估子模块用于建立评价指标对该定位结果的精确性进行评估；

所述第一定位子模块包括第一变量计算单元，用于计算已知位置标签和未知位置标签在各阅读器上接收的信号强度：

采用路径损耗模型反映标签发射信号的收信场强在室内信道传播过程中的强度变化，阅读器的信号接收强度S的计算公式为：

$S=\frac{1}{2}VQ$

$VQ={10}^{\frac{P_f-PL\left(d_0\right)-20.5lg\left(\frac{d}{d_0}\right)-\frac{\sqrt{2}}{2\sqrt{\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}{e}^{-\frac{x^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}}{10}\×\frac{P_f-PL\left({d_0}^{\′}\right)-20.5lg\left(\frac{d}{{d_0}^{\′}}\right)-\frac{\sqrt{2}}{2\sqrt{\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}{e}^{-\frac{x^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}}{10}}$

所述式子中，P_f为标签的信号发射功率，d为阅读器与标签距离，PL(d₀)为阅读器在参考点d₀处接收信号的信号接收强度衰减量，PL(d₀′)为阅读器在参考点d₀′处接收信号的信号接收强度衰减量，σ表示环境噪声的标准偏差，单位为dB。