一种基于二维激光雷达的微型机器人控制系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于二维激光雷达的微型机器人控制系统及方法，系统包括数据采集模块、数据融合处理模块和壁障控制模块。数据采集模块用于实时采集微型机器人和障碍物间距离信息、微型机器人位置信息和微型机器人周围场景图像；数据融合处理模块用于对数据采集模块获得的实时信息进行数据融合处理，根据融合处理后的信息构建虚拟三维场景、数据分析，再根据分析结果生成避障命令；避障控制模块根据避障命令重新规划行走路线，进行避障动作，实现微型机器人自主移动。发明无需借助人为操作及外部传感器，利用自身的激光雷达、超声波探测器、导航仪等多种探测仪器对外部环境的侦测，实现微型机器人的自主移动功能。
【专利说明】
一种基于二维激光雷达的微型机器人控制系统及方法
技术领域
[0001]本实发明涉及一种机器人控制系统及方法，具体涉及一种基于二维激光雷达的微型机器人控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人具有代替人类进行特殊环境下工作的能力，广泛用于工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域。
[0003]目前大部分机器人已具备一定的感知功能，如视觉和听觉能力。应用较多的为遥控机器人，通过操作者完成各种远程作业。然而，现有的机器人基本都是静物或是遥控类装置，无法自动避开障碍物进行自主移动的能力。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是现有微型机器人无法实现自动避障的不足，目的在于提供一种基于二维激光雷达的微型机器人控制系统及方法，有效的改善微型机器人无法自动避障的问题，实现微型机器人的自动避障而自主移动功能。
[0005]本发明通过下述技术方案实现:
一种基于二维激光雷达的微型机器人控制系统，包括数据采集模块、数据融合处理模块和壁障控制模块。
[0006]所述的数据采集模块包括激光雷达单元、超声波探测单元、摄像单和定位单元;所述的激光雷达单元用于实时采集微型机器人和障碍物间的第一距离信息;超声波探测单元用于实时采集微型机器人和障碍物间的第二距离信息;摄像单元用于实时采集微型机器人周围的场景图像;定位单元用于实时采集微型机器人定位信息。
[0007]所述的数据融合处理模块包括数据融合处理单元、SLAM运算单元、数据分析单元和避障命令生成单元;数据融合处理单元用于将数据采集模块得到的信息进行融合处理，获得融合处理信息；SLAM运算单元用于根据融合处理后的信息构建虚拟三维场景;数据分析单元用于根据构建的虚拟三维场景进行数据分析;避障命令生成单元用于根据数据分析单元得到的分析结果生成避障命令。
[0008]所述的避障控制模块包括导航单元和壁障命令执行单元;所述导航单元用于根据数据融合处理模块生成的避障命令重新规划机器人行走路线;避障命令执行单元用于根据更新的行走路线进行避障动作。
[0009]优选地，所述的数据采集模块还包括信息处理单元，用于将数据采集模块采集到的信息实时打包并传输给数据融合处理模块;所述数据融合处理模块也包括信息处理单元，用于接收数据采集模块传输的信息，同时将信息融合处理得到的信息进行打包并传输给避障控制模块;所述避障控制模块也包括信息处理单元，用于接收数据融合处理模块传输的信息。
[0010]优选地，所述的激光雷达单元包括激光发射器、激光发射器转动装置、激光接收器和激光信号处理器;激光发射器用于发射探测激光，激光发射器转动装置用于转动激光发射器，实现多方向探测激光的发送;激光接收器用于接收障碍物反射的激光;激光信号处理器用于根据接收的探测激光信息快速、精确的计算出微型机器人与障碍物的实时距离信息。
[0011]优选地，所述的激光雷达单元和超声波探测单元可分别实时采集微型机器人与障碍物间的第一距离信息和第二距离信息，从而可获得微型机器人与障碍物间的精确距离信息。
[0012]优选地，所述SLAM运算单元包括特征更新、数据关联、状态估计、状态更新及特征更新几个部分，能够根据融合处理后的信息构建虚拟三维场景。
[0013]优选地，所述摄像单元为一种能在夜间或光照较暗条件下实现高分辨摄像的摄像机，为现有技术。
[0014]—种基于二维激光雷达的微型机器人控制方法，包括以下步骤:
51、数据采集模块实时采集微型机器人实时数据；
52、数据采集模块的信息处理单元将数据采集模块采集到的数据信息实时打包并传输给数据融合处理模块；
53、数据融合处理模块根据数据采集模块获得的实时数据构建实时虚拟三维场景，根据构建的实时虚拟三维场景进行数据分析，并根据分析结果生成避障命令；
54、数据融合处理模块的信息处理单元将避障命令传输给避障控制模块的信息处理单元，根据接收的避障命令进行导航，再由避障命令执行单元进行避障控制，实现微型机器人的自动避障。
[0015]优选地，所述的步骤SI包括以下子步骤:
511.激光雷达单元用于进行微型机器人实时数据采集，获得微型机器人与障碍物间的第一距离信息；
512.超声波探测单元用于进行微型机器人实时数据采集，获得微型机器人与障碍物间的第二距离信息；
513.摄像单元用于实时采集微型机器人周围的场景图像；
514.定位单元用于实时采集微型机器人的定位信息。
[0016]优选地，所述的步骤Sll包括以下子步骤:
Sill.激光雷达单元中的激光发射器和激光发射器转动装置协同作用下发射探测激光；
SI 12.探测激光遇到障碍物后反射，激光接收器接收到反射激光；
S113.激光信号处理器对发送和接收的激光信息进行处理，计算出微型机器人与障碍物间的距离。
[0017]优选地，所述的步骤S3包括以下子步骤:
531.数据融合处理模块的信息处理单元实时接收微型机器人的实时数据；
532.数据融合处理模块的数据融合处理单元对微型机器人实时数据进行融合处理；
533.数据融合处理模块的SLAM运算单元对融合处理后的数据进行SLAM运算，构建虚拟三维场景； 534.数据融合处理模块的数据分析单元根据构建的虚拟三维场景进行数据分析；
535.数据融合处理模块的避障命令生成单元根据数据分析结果生成避障命令。
[0018]本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果:提供一种基于二维激光雷达的微型机器人控制系统及方法，通过数据采集模块采集微型机器人的实时数据信息传输给数据融合处理模块，进而对实时数据信息进行融合处理并根据融合处理后的信息构建虚拟三维场景，再对三维场景进行数据分析，根据分析结果生成避障命令传输给避障控制模块，导航单元根据接收的避障命令重新规划行走路线，根据新航线避障执行单元进行避障控制，实现了微型机器人的高效、快速、准确避障。
【附图说明】
[0019]此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:
图1为本发明系统原理框图。
【具体实施方式】
[0020]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0021]如图1所示，一种基于二维激光雷达的微型机器人控制系统，包括数据采集模块、数据融合处理模块和壁障控制模块。
[0022]数据采集模块包括激光雷达单元、超声波探测单元、摄像单元和定位单元;激光雷达单元用于实时采集微型机器人和障碍物间的第一距离信息;超声波探测单元用于实时采集微型机器人和障碍物间的第二距离信息;摄像单元用于实时采集微型机器人周围的场景图像;定位单元用于实时采集微型机器人定位信息。
[0023]数据融合处理模块包括数据融合处理单元、SLAM运算单元、数据分析单元和避障命令生成单元;数据融合处理单元用于将数据采集模块得到的信息进行融合处理，获得融合处理信息；SLAM运算单元用于根据融合处理后的信息构建虚拟三维场景;数据分析单元用于根据构建的虚拟三维场景进行数据分析;避障命令生成单元用于根据数据分析单元得到的分析结果生成避障命令。
[0024]避障控制模块包括导航单元和壁障命令执行单元;导航单元用于根据数据融合处理模块生成的避障命令重新规划机器人行走路线;避障命令执行单元用于根据更新的行走路线进行避障动作。
[0025]数据采集模块还包括信息处理单元，用于将数据采集模块采集到的信息实时打包并传输给数据融合处理模块;数据融合处理模块也包括信息处理单元，用于接收数据采集模块传输的信息，同时将信息融合处理得到的信息进行打包并传送给避障控制模块;避障控制模块也包括信息处理单元，用于接收数据融合处理模块传输的信息。
[0026]激光雷达单元包括激光发射器、激光发射器转动装置、激光接收器和激光信号处理器;激光发射器用于发射探测激光，激光发射器转动装置用于转动激光发射器，实现多方向探测激光的发送;激光接收器用于接收障碍物反射的激光;激光信号处理器用于根据接收的探测激光信息快速、精确的计算出微型机器人与障碍物的实时距离信息。
[0027]SLAM运算单元包括特征更新、数据关联、状态估计、状态更新及特征更新几个部分，能够根据融合处理后的信息构建虚拟三维场景。摄像单元为一种能在夜间或光照较暗条件下实现高分辨摄像的摄像机，为现有技术。
[0028]—种基于二维激光雷达的微型机器人控制方法，包括以下步骤:
51、数据采集模块实时采集微型机器人实时数据；
52、数据采集模块的信息处理单元将数据采集模块采集到的数据信息实时打包并传输给数据融合处理模块；
53、数据融合处理模块根据数据采集模块获得的实时数据构建实时虚拟三维场景，根据构建的实时虚拟三维场景进行数据分析，并根据分析结果生成避障命令；
54、数据融合处理模块的信息处理单元将避障命令传输给避障控制模块的信息处理单元，根据接收的避障命令进行导航，再由避障命令执行单元进行避障控制，实现微型机器人的自动避障。
[0029]其中，步骤SI包括以下子步骤:
511、激光雷达单元用于进行微型机器人实时数据采集，获得微型机器人与障碍物间的第一距离信息；
512、超声波探测单元用于进行微型机器人实时数据采集，获得微型机器人与障碍物间的第二距离信息；
513、摄像单元用于实时采集微型机器人周围的场景图像；
514、定位单元用于实时采集微型机器人的定位信息。
[0030]其中，步骤Sll包括以下子步骤:
5111、激光雷达单元中的激光发射器和激光发射器转动装置协同作用下发射探测激光；
5112、探测激光遇到障碍物后反射，激光接收器接收到反射激光；
5113、激光信号处理器对发送和接收的激光信息进行处理，计算出微型机器人与障碍物间的距离。
[0031]其中，步骤S3包括以下子步骤:
531、数据融合处理模块的信息处理单元实时接收微型机器人的实时数据；
532、数据融合处理模块的数据融合处理单元对微型机器人实时数据进行融合处理；
533、数据融合处理模块的SLAM运算单元对融合处理后的数据进行SLAM运算，构建虚拟三维场景；
534、数据融合处理模块的数据分析单元根据构建的虚拟三维场景进行数据分析；
535、数据融合处理模块的避障命令生成单元根据数据分析结果生成避障命令。
[0032]以上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于二维激光雷达的微型机器人控制系统，其特征在于，包括数据采集模块、数据融合处理模块和壁障控制模块； 所述的数据采集模块包括激光雷达单元、超声波探测单元、摄像单元、定位单元;所述的激光雷达单元用于实时采集微型机器人与障碍物间的第一距离信息;超声波探测单元用于实时采集微型机器人与障碍物间的第二距离信息;摄像单元用于实时采集微型机器人周围的场景图像;定位单元用于实时采集微型机器人定位信息； 所述的数据融合处理模块包括数据融合处理单元、SLAM运算单元、数据分析单元和避障命令生成单元;数据融合处理单元用于将数据采集模块得到的信息进行融合处理，获得融合处理信息；SLAM运算单元用于根据融合处理后的信息构建虚拟三维场景;数据分析单元用于根据构建的虚拟三维场景进行数据分析;避障命令生成单元用于根据数据分析单元得到的分析结果生成避障命令； 所述的避障控制模块包括导航单元和壁障命令执行单元;所述导航单元用于根据数据融合处理模块生成的避障命令重新规划微型机器人行走路线;避障命令执行单元用于根据更新的行走路线进行避障动作。2.根据权利要求1所述的一种基于二维激光雷达的微型机器人控制系统，其特征在于，所述的数据采集模块还包括信息处理单元，用于将数据采集模块采集到的信息实时打包并传输给数据融合处理模块;所述数据融合处理模块也包括信息处理单元，用于接收数据采集模块传输的信息，同时将数据融合处理得到的信息进行打包并传送给避障控制模块;所述避障控制模块也包括信息处理单元，用于接收数据融合处理模块传输的信息。3.根据权利要求1所述的一种基于二维激光雷达的微型机器人控制系统，其特征在于，所述的激光雷达单元包括激光发射器、激光发射器转动装置、激光接收器和激光信号处理器;激光发射器用于发射探测激光，激光发射器转动装置用于转动激光发射器，实现多方向探测激光的发送;激光接收器用于接收障碍物反射的激光;激光信号处理器用于根据接收的探测激光信息快速、精确的计算出微型机器人与障碍物的实时距离信息。4.根据权利要求1所述的一种基于二维激光雷达的微型机器人控制系统，其特征在于，所述SLAM运算单元包括特征更新、数据关联、状态估计、状态更新及特征更新几个部分。5.根据权利要求1所述的一种基于二维激光雷达的微型机器人控制系统，其特征在于，所述摄像单元为一种能在夜间或光照较暗条件下实现高分辨摄像的摄像机。6.一种基于二维激光雷达的微型机器人控制方法，其特征在于，包括以下步骤: S1、数据采集模块实时采集微型机器人实时数据； S2、数据采集模块的信息处理单元将数据采集模块采集到的数据信息实时打包并传送给数据融合处理模块； S3、数据融合处理模块根据数据采集模块获得的实时数据构建实时虚拟三维场景，根据构建的实时虚拟三维场景进行数据分析，并根据分析结果生成避障命令； S4、数据融合处理模块的信息处理单元将避障命令传输给避障控制模块的信息处理单元，根据接收的避障命令进行导航，再由避障命令执行单元进行避障控制，实现微型机器人的自动避障。7.根据权利要求6所述的一种基于二维激光雷达的微型机器人控制方法，其特征在于，所述的步骤SI包括以下子步骤: S11、激光雷达单元用于进行微型机器人实时数据采集，获得微型机器人与障碍物间的第一距离信息； S12、超声波探测单元用于进行微型机器人实时数据采集，获得微型机器人与障碍物间的第二距离信息； S13、摄像单元用于实时采集微型机器人周围的场景图像； S14、定位单元用于实时采集微型机器人的定位信息。8.根据权利要求7所述的一种基于二维激光雷达的微型机器人控制方法，其特征在于，所述的步骤Sll包括以下子步骤: S111、激光雷达单元中的激光发射器和激光发射器转动装置协同作用下发射探测激光； S112、探测激光遇到障碍物后反射，激光接收器接收到反射激光； S113、激光信号处理器对发送和接收的激光信息进行处理，计算出微型机器人与障碍物间的距离。9.根据权利要求6所述的一种基于二维激光雷达的微型机器人控制方法，其特征在于，所述的步骤S3包括以下子步骤: S31、数据融合处理模块的信息处理单元实时接收微型机器人的实时数据； S32、数据融合处理模块的数据融合处理单元对微型机器人实时数据进行融合处理； S33、数据融合处理模块的SLAM运算单元对融合处理后的数据进行SLAM运算，构建虚拟三维场景； S34、数据融合处理模块的数据分析单元根据构建的虚拟三维场景进行数据分析； S35、数据融合处理模块的避障命令生成单元根据数据分析结果生成避障命令。
【文档编号】G05D1/02GK106094836SQ201610641776
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月8日 公开号201610641776.0, CN 106094836 A, CN 106094836A, CN 201610641776, CN-A-106094836, CN106094836 A, CN106094836A, CN201610641776, CN201610641776.0
【发明人】凃海洋, 李薪, 王晓维, 游迪, 赵静
【申请人】成都希德电子信息技术有限公司