一种轨道式巡检机器人导航定位模块的制作方法

1.本实用新型属于导航定位技术领域，涉及一种使用光电标签、mems惯性传感器进行组合定位模块。


背景技术：

2.在我国管廊巡检机器人运行过程中，机器人的精确定位始终是核心内容之一，优秀的定位方案可以有效提高巡检效率和精度。
3.常规的轨道机器人巡检，主要靠里程计进行相对位置定位，由于里程计会产生累计误差，还需靠外部辅助无线标签进行绝对位置校准。常见的校准方式有uwb无线定位方式和rfid标签定位方式，其中uwb定位精度0.1m左右，需要管廊内的无线基站具备uwb定位功能，rfid无源标签定位精度较高，可达0.02m，但需要每隔一段轨道布置一个rfid标签，还需要专门的读卡设备。
4.传统管廊巡检机器人在行走时需要依靠上述基站或大量rfid标签来进行辅助定位，增加了使用和维护成本，另一方面，传统的管廊巡检机器人也缺乏自身机械运动状态和轨道倾斜沉降的观测数据，因此智能的故障诊断技术也是管廊巡检机器人未来的发展方向。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种轨道式巡检机器人导航定位模块，采用光电/里程计/mems惯导组合进行粗精复合定位，可以获得巡检机器人的准确运动位置和姿态信息，将改进的传感器结合起来进行光电/里程计/mems组合导航。
6.本实用新型是通过下述技术方案来实现的。
7.一种轨道式巡检机器人导航定位模块，一种轨道式巡检机器人导航定位模块，包括传感器模块、组合导航解算模块和电源模块；
8.所述传感器模块包括mems惯性传感器、里程计和光电传感器；所述mems惯性传感器包括3轴mems陀螺仪、3轴mems加速度计和3轴mems磁强计；
9.所述组合导航解算模块包括dsp核心电路、存储器和串口通信模块；
10.传感器模块、组合导航解算模块设于机器人本体中，机器人本体挂在管廊轨道上，机器人本体连接控制中心；通过传感器模块识别管廊轨道中定位孔，通过组合导航解算模块解算，控制中心确定机器人本体在管廊轨道中的位置。
11.对于上述技术方案，本实用新型还有进一步优选的方案：
12.优选的，所述机器人本体上设有行走轮、传感器模块、电源模块和组合导航解算模块，里程计设在行走轮上，行走轮挂在管廊轨道上；mems惯性传感器、组合导航解算模块和电源模块设在机器人本体中。
13.优选的，所述光电传感器包括光电探测器和发光二极管，光电探测器和发光二极
管分别设于机器人本体底座上，位于管廊轨道两侧行走轮之间。
14.优选的，所述光电探测器和发光二极管在管廊轨道两侧的垂直相对同一轴线上。
15.优选的，所述管廊轨道定位孔等间隔布置。
16.优选的，所述光电传感器和里程计分别通过cap1口和cap2口与dsp核心电路连接；mems惯性传感器通过扩展串口与dsp核心电路连接；dsp核心电路通过串口连接外电路。
17.本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
18.本实用新型无需额外基站和无线设备，只需要在轨道上进行等间隔或不等间隔打孔，并在机器人上安装相应的光电传感器和mems惯性传感器即可，在首次使用时提前对孔位和轨道姿态数据进行提前标定，减小了使用和维护成本。
19.本实用新型采用光电/里程计/mems组合导航，可获取巡检机器人准确的位置和姿态信息，相比传统机器人只能进行单一定位的方式，能够获得机器人自身运动状态监测、轨道变形和管廊沉降数据。能够对轨道和管廊环境变化进行更多数据的监测。
附图说明
20.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本实用新型的不当限定，在附图中：
21.图1为组合导航模块组成层级图；
22.图2为组合导航模块基本硬件组成；
23.图3为管廊巡检机器人及光电传感器安装位置；
24.图4为光电传感器示意图；
25.图5为姿态序列匹配定位过程；
26.图6为mems惯性传感器信号处理过程；
27.图7为精匹配定位过程图示。
28.图中：1、管廊轨道；2、光电探测器；3、定位孔；4、发光二极管；5、行走轮；6、mems惯性传感器；7、组合导航解算模块；8、电源模块。
具体实施方式
29.下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
30.如图1所示，本实用新型的轨道式巡检机器人导航定位模块，包括：传感器模块，包括多个传感器，具体包括mems惯性传感器、里程计和光电传感器，mems惯性传感器包括3轴mems陀螺仪、3轴mems加速度计和3轴mems磁强计；光电传感器包括发光二极管和光电探测器。通过多个传感器识别管廊轨道中定位孔，将获取的信息传递至组合导航解算模块。
31.组合导航解算模块，包括dsp核心电路、存储器和串口通信模块，用于对传感器的数据进行解算，数据融合，解算后的导航数据通过串口通信模块rs232口送给外部终端，外部终端内部存储有管廊地图，可配合导航数据显示车辆位置。
32.电源模块，主要为设备提供电源供电。可实现5v转3.3v，5v转1.8v，5v转1.3v电平转换。
33.如图2所示，传感器模块、组合导航解算模块设于机器人本体中，机器人本体挂在
管廊轨道上，机器人本体连接控制中心；通过控制中心控制机器人本体在管廊轨道中行进，通过传感器模块获取管廊轨道中定位孔，通过组合导航解算模块解算，控制中心确定机器人本体在管廊轨道中的位置。
34.如图2所示，本实用新型的轨道式巡检机器人导航定位模块作为管廊巡检机器人的组成部分，安装于机器人本体上，机器人本体上设有行走轮5、传感器模块、电源模块8和组合导航解算模块7。包括mems惯性传感器、里程计和光电传感器的各传感器模块在机器人中的安装位置如图2所示。里程计设在行走轮5上，行走轮5挂在管廊轨道1上；管廊轨道1上设有定位孔3。光电传感器包括光电探测器2和发光二极管4，分别设于机器人本体底座上，位于管廊轨道1两侧行走轮5之间。
35.mems惯性传感器6、电源模块8和组合导航解算模块7安装于机器人本体底座上，mems惯性传感器6用于敏感机器人姿态和位置信息。mems惯性传感器中3轴mems陀螺、3轴mems加速度计和3轴磁强计可获得导航模块的三轴角速率、加速度、磁航向等信息，传感器信息经过rs232扩展串口送入dsp，经导航解算可得到载体位置、速度、姿态信息。
36.如图3所示，发光二极管4和光电探测器2在管廊轨道两侧的垂直相对同一轴线上。发光二极管在轨道一侧，用于提供光源，光电探测器2在轨道另一侧用于探测穿过轨道孔位的来自发光二极管4的光线。在轨道孔位没有出现时，二极管发出的光线被轨道遮挡，探测器输出低电平信号，当机器人运行，孔位处于发光二极管和光电探测器之间，光电探测器接收到发光二极管光线，输出高电平。巡检机器人连续运行情况下，光电探测器输出脉冲信号。
37.光电传感器在经过轨道定位孔时输出一个脉冲信号，并将该信号传递给dsp核心电路，dsp核心电路会结合里程计里程计信息计算两个脉冲信号(对应轨道上两个孔位)之间的距离，并将一系列的距离信息存入数据库中。
38.里程计用于计算机器人运动时行走的里程。里程计会随着行走轮5的旋转输出相应的脉冲给dsp，dsp可根据累计脉冲数和行走轮半径计算出巡检机器人行走的里程数。
39.各模块之间的连接关系如图4所示。电源模块为传感器模块和组合导航解算模块供电，光电传感器信号通过dsp的cap1捕捉口和dsp连接，当巡检机器人本体通过轨道上的定位孔时，光电传感器输出的脉冲被dsp接收，产生相应的cap捕捉中断，dsp核心电路可以根据存储的标定位置和中断信号对里程计产生的里程进行相对位置校正。里程计通过dsp核心电路的cap2捕捉口和dsp连接，随着行走轮旋转，里程计输出的脉冲被dsp核心电路捕捉计数，再结合行走轮半径计算机器人行走里程。mems惯性传感器通过rs232扩展串口与dsp连接，将敏感到的三轴角速率、加速度、磁航向等信息送入dsp进行解算。
40.下面通过本实用新型方法来说明本实用新型的效果。
41.在机器人本体快速运动，行走轮打滑的情况下，匹配精度将降低，可能造成误匹配等情况，因此改进的方法是采用mems惯性传感器计算的姿态序列进行粗定位，再采用光电传感器过轨道定位孔进行精定位的方式。
42.如图5所示，该方法的操作过程包括：轨道打孔、机器人本体运行标定、姿态序列信息采集、姿态序列粗匹配、光电传感器精匹配和位置修正。
43.a、轨道打孔
44.为了便于轨道加工，保持一致性，可在每段轨道固定位置打孔，即等间隔打孔，并
提前进行孔位标定。
45.b、运行标定
46.mems惯性传感器测量机器人本体在运行过程中的姿态(α,β,γ)，包括方位、俯仰和滚转，每隔一段里程计距离δl采集当前机器人本体的姿态信息(α
i
,β
i
,γ
i
)，由于轨道铺设时不会完全水平，因此机器人本体姿态信息会被轨道倾斜状态调制，初始全段标定完成后，被调制的机器人本体姿态序列会存储在机器人存储器中。
47.c、姿态序列信息采集
48.标定完成后，开始巡检作业，巡检机器人本体运行过程中，通过mems惯性传感器等间隔δl采集当前位置的方位、俯仰和滚转序列。
49.d、姿态序列粗匹配定位
50.信号处理过程如图6所示，在组合定位过程中，由解调的mems惯性传感器信号匹配进行粗定位，由每段轨道的定位孔光电信号进行精确定位，采用这种粗精复合定位的方式来校正里程计累计误差，获得机器人本体绝对运动位置信息。
51.e、光电传感器精匹配定位
52.标定时每经过一个孔位，光电传感器输出的脉冲位置信号对应到姿态序列经低通滤波后的波形中。轨道定位孔绝对位置初始标定时已经确认。
53.在姿态序列粗匹配后的剩余误差δl1远小于打孔间隔的情况下，粗匹配完成后，巡检机器人本体获得的一个光电脉冲信号对应的孔位位置被唯一确定，此时完成精匹配定位。如图7所示。
54.f、位置修正
55.首次匹配完成后，巡检机器人本体定位出在轨道上的具体位置，运行到下一个定位孔后经过光电探测，里程计累积输出位置和标定位置对比，会有一个累积误差δl
i
，到达光电孔位后将机器人本体绝对位置修正为光电孔位标定位置，从而消除误差δl
i
的影响。
56.另外，在机器人本体运行过程中，系统会对机器人本体的姿态数据(s1,s2,s3)和加计数据(a1,a2,a3)持续采集，并保存到监控中心，监控中心运维软件会对每次巡检后的机器人本体姿态和加计数据进行小波变换分析，并对比历史分析数据，可诊断轨道倾斜、轨道异物、机器人本体机械故障、机器人本体行走轮磨损等状态信息，以便及时对轨道和机器人本体进行维护。
57.本实用新型的轨道式巡检机器人导航定位模块及方法采用姿态序列+光电粗精复合定位。相对无线定位及rfid标签定位模式，采用伪随机编码进行孔位间距匹配定位，或者采用mems惯性传感器信号匹配进行粗定位，采用每段轨道的孔位光电信号进行精确定位的方式，无需额外的辅助标签和基站，节约了成本，可靠性高。集成了mems惯性传感器后，可采集机器人本体运动过程中的姿态信息、振动信息和轨道倾斜信息，有利于进行机器人故障诊断和维护。
58.本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。