一种融合算法的移动机器人自主导航系统及控制方法

技术领域

本发明属于机器人导航系统技术领域，具体地涉及一种融合算法的移动机器人自主导航系统及控制方法。

背景技术

随着科技的不断进步，机器人正朝着自主智能机器人的方向发展，应用领域也逐渐从工业渗透到军工、家居、医疗、建筑等行业。然而，机器人自主导航定位技术的现状限制了智能移动机器人在上述诸多领域的应用。

目前，移动机器人导航设备还没有通用的硬件结构。过去，机器人的导航部分主要基于特定硬件的单一设计，导航系统在软硬件上往往不具备兼容性、可扩展性和可重构性。

随着传感器模块的增减和驱动装置的变化，这种机器人导航控制装置并不通用。对于新的硬件要求，必须重新制作系统，从而降低成本，但也降低了迭代效率。从控制对象来看，智能移动机器人的导航装置需要完成传感器信息的采集、多传感器信息的融合，以及环境建模、定位和路径规划等功能。为了解决上述问题，大多数研究机构和公司采用多处理器来实现，这种方法不仅增加了系统的体积、功耗和成本，而且降低了系统的通用性。目前，移动机器人还没有专门的操作系统。一些厂商和研究机构为了降低开发难度，在X86平台上直接使用Windows操作系统作为机器人控制系统的操作系统。基于Windows的操作系统虽然界面友好，易于开发，但Windows操作系统难以满足对实时性要求高的移动机器人导航控制系统的要求，降低了系统的可靠性。同时，基于Windows操作系统的机器人对硬件的要求也更高，客观上增加了机器人的生产成本，本发明将基于l inux操作系统，取代较为复杂的windows系统，较小的系统更有利于在计算资源有限的平台上运行。并且在此基础上安装ROS机器人操作系统，在此操作系统上搭建整个移动机器人导航环境，提高了软件的易用性以及可扩展性。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种融合算法的移动机器人自主导航系统，以解决现有技术中提到的问题。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：本发明提供一种融合算法的移动机器人自主导航系统及控制方法，其中导航系统，包括工控机、激光雷达系统、惯性导航系统和规划控制模块；所述工控机为安装ROS操作系统的Inter计算单元；所述规划控制模块包括规划模块和控制模块；所述激光雷达系统包括单线激光雷达、多线激光雷达、激光雷达定位模块和单片机；所述规划模块用于规划出离散轨迹点和生成规划路径传输给控制模块；所述控制模块基于四轮差速控制算法控制移动机器人跟随规划的路径行进。

在上述的融合算法的移动机器人自主导航系统中，作为优选的方案，将单片机与多线激光雷达、激光雷达定位模块、惯性导航系统、编码器进行连接；其中，惯性导航系统发送三轴角速度及三轴加速度数据给单片机；单片机与多线激光雷达连接，用于发送时间数据；单片机与激光雷达位模块连接，接收点云信息；单片机与Inter计算单元，用于发送带时标的IMU数据、编码器以及激光雷达的数据。

在上述的融合算法的移动机器人自主导航系统中，作为优选的方案，所述工控机的控制版内设置有编译程序和导航算法，通过编译程序完成对导航算法的编译。

在上述的融合算法的移动机器人自主导航系统中，作为优选的方案，所述导航算法包括局部路径规划算法和全局路径规划算法，局部路径规划算法用于对局部路径进行规划，全局路径规划算法用于对全局路径进行规划。

在上述的融合算法的移动机器人自主导航系统中，作为优选的方案，所述导航算法包括A*算法和时间弹性带算法。

在上述的融合算法的移动机器人自主导航系统中，作为优选的方案，所述四轮差速控制算法是基于误差的状态空间方程设立。

在上述的融合算法的移动机器人自主导航系统中，作为优选的方案，所述工控机安装在移动机器人的底盘上，工控机内设置有第一移植单元、第二移植单元、第三移植单元和编译单元，第一移植单元，用于移植ROS系统的底层驱动文件；第二、三移植单元，用于移植移动机器人特有驱动文件；编译单元,用于对导航算法的源码进行编译。

一种融合算法的移动机器人自主导航方法，包括以下步骤：

S1、融合编码器、激光雷达、惯性导航系统的数据运动推算，并根据当前激光点云的数据进行地图构建，绘制整个环境地图；

S2、将单线激光雷达与多线激光雷达通过串口与工控机进行通信；工控机接收激光雷达的激光点信息进行体素滤波处理，得到当前帧激光点云；

S3、将当前帧激光点云与整个地图进行匹配得到当前小车位置；

S4、将当前位置与规划终点位置发送给规划模块，规划模块规划出绕过障碍物的全局可行路径；

S5、部规划模块通过全局路径点建立约束，实时规划出绕过当前时间节点前面一段距离障碍物的局部可行路径；

S6、工控机根据规划模块规划的结果下达控制指令给底层电机控制器；

S7、底层电机控制器控制驱动电机结合控制算法控制移动机器人沿着规划的轨迹进行移动；

S8、工控机检测是否到达终点，如果到达，终止规划，反之，继续按照步骤S4、S5、S6、S7继续进行，直至到达终点。

本发明提供一种融合算法的移动机器人自主导航系统及控制方法，具有如下

有益效果：

发明提供的一种自主移动机器人自主导航系统，是在基于ROS框架的基础上，构造了一种简单易用可扩展的移动机器人的自主导航系统；所构造的系统可以方便增减相应的传感器部件，只需要通过设计相应的通信节点即可大大提高系统整体的可扩展性；ROS框架中的功能包为整个系统架构提供了更大的灵活性和复用性，大大降低了系统设计的复杂度。

本发明的系统是基于ROS的分布式结构，包括：Inter芯片处理单元，前后分布式单线激光雷达，采用ROS节点与Inter芯片处理单元进行通讯连接，完成各类传感器信息融合与导航规划；采用激光雷达和全局地图匹配、编码器、惯性导航系统对机器人进行定位。将定位数据上传给规划模块，规划模块规划的轨迹点传给控制系统，控制系统接收定位数据和轨迹规划数据进行小车控制；与GPS定位导航系统相比，本发明测量装置简单，不需要额外的辅助定位，实施方便，机械装置稳定性高，可以将控制精度控制在0.1％，具有较好的效果。

附图说明

图1为本发明的地图的构建示意图；

图2为本发明的导航系统框架示意图；

图3为本发明的通信节点设计示意图；

图4为本发明的实体架构设计示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合具体情况说明本发明的示例性实施例：

如图1-图4所示，本发明提供一种融合算法的移动机器人自主导航系统及控制方法，其中导航系统，包括工控机、激光雷达系统、惯性导航系统和规划控制模块；工控机为安装ROS操作系统的Inter计算单元；规划控制模块包括规划模块和控制模块；激光雷达系统包括单线激光雷达、多线激光雷达、激光雷达定位模块和单片机；规划模块用于规划出离散轨迹点和生成规划路径传输给控制模块；控制模块基于四轮差速控制算法控制移动机器人跟随规划的路径行进。

将单片机与多线激光雷达、激光雷达定位模块、惯性导航系统、编码器进行连接；其中，惯性导航系统发送三轴角速度及三轴加速度数据给单片机；单片机与多线激光雷达连接，用于发送时间数据；单片机与激光雷达位模块连接，接收点云信息；单片机与Inter计算单元，用于发送带时标的IMU数据、编码器以及激光雷达的数据。

工控机的控制版内设置有编译程序和导航算法，通过编译程序完成对导航算法的编译。导航算法包括局部路径规划算法和全局路径规划算法，局部路径规划算法用于对局部路径进行规划，全局路径规划算法用于对全局路径进行规划。导航算法包括A*算法和时间弹性带算法。四轮差速控制算法是基于误差的状态空间方程设立。

状态空间方程为:

其中,A

分别为前左、前后、后左、后右轮的附加驱动扭矩,δ

工控机安装在移动机器人的底盘上，使用总线的控制装置采用了分布式结构。将CAN总线改用为ROS节点控制，以TCP/IP的方式进行通信。工控机内设置有第一移植单元、第二移植单元、第三移植单元和编译单元，第一移植单元，用于移植ROS系统的底层驱动文件；第二、三移植单元，用于移植移动机器人特有驱动文件；编译单元,用于对导航算法的源码进行编译。

一种融合算法的移动机器人自主导航方法，包括以下步骤：

S1、融合编码器、激光雷达、惯性导航系统的数据运动推算，并根据当前激光点云的数据进行地图构建，绘制整个环境地图；

S2、将单线激光雷达与多线激光雷达通过串口与工控机进行通信；工控机接收激光雷达的激光点信息进行体素滤波处理，得到当前帧激光点云；

S3、将当前帧激光点云与整个地图进行匹配得到当前小车位置；

S4、将当前位置与规划终点位置发送给规划模块，规划模块规划出绕过障碍物的全局可行路径；

S5、部规划模块通过全局路径点建立约束，实时规划出绕过当前时间节点前面一段距离障碍物的局部可行路径；

S6、工控机根据规划模块规划的结果下达控制指令给底层电机控制器；

S7、底层电机控制器控制驱动电机结合控制算法控制移动机器人沿着规划的轨迹进行移动；

S8、工控机检测是否到达终点，如果到达，终止规划，反之，继续按照步骤S4、S5、S6、S7继续进行，直至到达终点。

系统以初始时刻移动机器人的几何中心所在点为世界坐标系x o y的原点，此原点的位置始终固定不变，以移动机器人的几何中心为原点建立机器人坐标系X O Y，此原点随移动机器人位置的改变而改变。

以机器人小车的第二被动全向轮旋转方向所在平面与机器人小车的总体框架所在平面的交线为坐标系X O Y的X轴，机器人小车的第一被动全向轮旋转方向所在平面与机器人小车总体框架所在平面的交线为坐标系X 0Y的Y轴，X轴与Y轴的交点即为移动机器人的几何中心，机器人小车第一被动全向轮转动方向与第二被动全向轮转动方向的夹角为θ，机器人小车的第一被动全向轮转动方向与世界坐标系y方向的夹角为a，即定位码盘的安装误差角。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。