一种小车脱困系统及方法

技术领域

本发明涉及控制技术领域，尤其是一种小车脱困系统及方法。

背景技术

随着人工智能、感知技术和运动控制技术的不断进步，机器人小车能够通过自主感知和决策能力，解决问题和应对困境的能力逐渐增强。在救援、探险、工业生产、餐饮服务等场景中，机器人小车往往需要进行复杂的操作任务，包括在复杂的环境中行动、穿越障碍物等。当机器人小车处于封闭或半封闭的狭小空间时可能会受困。因此，机器人小车自主脱困的能力是机器人自主运作的必要能力之一。

现有机器人小车脱困方法主要分为运动规划方法以及感知与决策方法两类，其中，运动规划方法是指通过算法确定机器人小车的运动轨迹以使其能够脱困；感知与决策方法是指机器人小车通过传感器获取环境信息，并通过学习和决策算法来判断何时以及如何脱困。然而，运动规划方法的脱困模式固定，无法应对复杂、未知或不可预测的环境；感知与决策方法需要依赖精确的全局地图和环境模型来进行路径规划和决策，需要设置高成本的高精传感器，且高精地图的构建不仅难度大，而且还需要消耗大量资源。

发明内容

为解决上述现有技术问题，本发明提供小车脱困系统及方法，提高了小车脱困的灵活性，且降低了成本。

为了达到上述技术目的，本申请实施例所采取的技术方案包括：

第一方面，本申请实施例提供了一种小车脱困系统，包括：

红外模块，包括红外发射模块和红外接收模块，红外发射模块固定设置在小车对应的充电桩上，用于发射红外信号，红外接收模块设置在小车上，用于接收红外信号；

惯导模块，用于实时采集小车在坐标系X轴的角速度、线加速度以及在Y轴的角速度、线加速度，坐标系以充电桩为原点，以水平面为XY平面；惯导模块还用于实时判断小车是否受困，输出判断结果；

建图模块，用于根据小车在坐标系X轴的角速度、线加速度以及在Y轴的角速度、线加速度计算小车的运动路径，并根据运动路径、红外信号的强度以及判断结果构建局部地图；

避障模块，用于在判断结果为受困时，根据局部地图执行第一避障任务，第一避障任务为使小车避免与障碍物碰撞的任务，第一避障任务的首选方向为从小车的当前位置指向局部地图中判断结果为没有受困的坐标点的方向。

另外，根据本申请上述实施例的一种小车脱困系统，还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，本申请实施例的一种小车脱困系统中，惯导模块包括姿态解算子单元；

姿态解算子单元获取小车的姿态，根据小车的姿态判断小车是否受困，其中，若小车任一轴的倾角大于预设的倾角阈值，或者小车在原地的旋转角度达到360°，则小车受困，否则小车没有受困。

进一步地，在本申请的一个实施例中，避障模块在红外接收模块接收不到红外信号时，执行第二避障任务，直至红外接收模块接收到红外信号。

进一步地，在本申请的一个实施例中，执行第一避障任务和第二避障任务时，避障模块实时检测小车与前进方向上的障碍物的距离，若距离小于预设的安全距离，则控制小车转向。

进一步地，在本申请的一个实施例中，红外发射模块包括两个红外发射单元，红外接收模块包括两个红外接收单元，红外发射单元与红外接收单元一一对应，红外信号包括第一红外信号和第二红外信号，系统还包括回充模块；

回充模块在小车触发回充任务时，微调小车的前进方向至回充方向，小车按照回充方向前进时，红外接收模块接收到的红外信号的信号强度变化梯度方向与第一红外信号和第二红外信号中信号强度较弱的一方的信号强度增强方向一致。

第二方面，本申请实施例提出了一种小车脱困方法，应用于小车脱困系统，小车脱困系统包括红外模块、惯导模块、建图模块和避障模块，红外模块包括红外发射模块和红外接收模块，红外发射模块固定设置在小车对应的充电桩上，用于发射红外信号，红外接收模块设置在小车上，用于接收红外信号，小车脱困方法包括：

通过红外接收模块实时接收红外发送模块发送的红外信号；

通过惯导模块实时采集小车在坐标系X轴的角速度、线加速度以及在Y轴的角速度、线加速度，坐标系以充电桩为原点，以水平面为XY平面；

通过惯导模块实时判断小车是否受困，输出判断结果；

根据小车在坐标系X轴的角速度、线加速度以及在Y轴的角速度、线加速度，通过建图模块计算小车的运动路径；

根据运动路径、红外信号的强度以及判断结果，通过建图模块构建局部地图；

若判断结果为受困，根据局部地图，通过避障模块执行第一避障任务，第一避障任务为使小车避免与障碍物碰撞的任务，第一避障任务的首选方向为从小车的当前位置指向局部地图中判断结果为没有受困的坐标点的方向。

进一步地，在本申请的一个实施例中，惯导模块包括姿态解算子单元，通过惯导模块实时判断小车是否受困，包括：

通过姿态解算子单元获取小车的姿态，并根据小车的姿态判断小车是否受困，其中，若小车任一轴的倾角大于预设的倾角阈值，或者小车在原地的旋转角度达到360°，则小车受困，否则小车没有受困。

进一步地，在本申请的一个实施例中，小车脱困方法还包括：

若红外接收模块接收不到红外信号，通过避障模块执行第二避障任务，直至红外接收模块接收到红外信号。

进一步地，在本申请的一个实施例中，执行第一避障任务和第二避障任务时，通过避障模块实时检测小车与前进方向上的障碍物的距离，若距离小于预设的安全距离，则控制小车转向。

进一步地，在本申请的一个实施例中，小车脱困方法还包括：

若判断结果为受困且小车在当前位置的所有方向对应局部地图中的判断结果均为受困，或者局部地图损坏，控制小车沿当前前进方向的相反方向运动预设距离至目标位置，并在目标位置以运动路径中目标位置处小车的转向相反的方向进行转向。

本发明的有益效果体现在，通过设置红外模块、惯导模块、建图模块和避障模块，建图模块根据惯导模块实时采集的小车运动数据计算小车的运动路径，并结合红外接收模块接收到的红外信号、惯导模块输出的小车是否受困的判断结果构建局部地图，进而避障模块在小车受困时根据局部地图执行第一避障任务以帮助小车脱困，无需依赖高精度的全局地图以及高精传感器，降低了地图构建的难度以及耗费的计算资源，同时也降低了硬件成本；此外，由于构建局部地图的数据以及执行避障任务的数据是实时采集的，本发明的脱困模式灵活性更高，脱困模式多样，能够应对复杂、未知或不可预测的环境。

附图说明

图1为本发明所提供的一种小车脱困方法具体实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

首先，本申请实施例提出了一种小车脱困系统，小车脱困系统包括红外模块、惯导模块、建图模块以及避障模块。其中：

红外模块，包括红外发射模块和红外接收模块，红外发射模块固定设置在小车对应的充电桩上，用于发射红外信号，红外接收模块设置在小车上，用于接收红外信号；

惯导模块，用于实时采集小车在坐标系X轴的角速度、线加速度以及在Y轴的角速度、线加速度，坐标系以充电桩为原点，以水平面为XY平面；惯导模块还用于实时判断小车是否受困，输出判断结果；

建图模块，用于根据小车在坐标系X轴的角速度、线加速度以及在Y轴的角速度、线加速度计算小车的运动路径，并根据运动路径、红外信号的强度以及判断结果构建局部地图；

避障模块，用于在判断结果为受困时，根据局部地图执行第一避障任务，第一避障任务为使小车避免与障碍物碰撞的任务，第一避障任务的首选方向为从小车的当前位置指向局部地图中判断结果为没有受困的坐标点的方向

其中，红外发射模块由红外发射二极管和相关的电路组成，其作用是发射红外信号。红外发射模块通过电流驱动红外发射二极管，激活红外发射二极管并产生红外信号。可选地，通过在红外光信号中引入特定的频率或模式增加红外发射模块所发射的红外信号的可靠性和准确性。常见的调制技术包括脉冲宽度调制(PWM)和脉冲位置调制(PPM)。红外发射模块与红外接收模块配对。

惯导模块是一种用于测量、跟踪和估计小车位置、速度和姿态的导航系统。惯导模块基于惯性传感器(主要包括陀螺仪子单元和加速度子单元)进行工作。其中，加速度子单元用于测量小车的加速度，可以检测小车在三个轴向上的线性加速度，即加速度的分量。通过对加速度的积分，可以得到速度和位置的估计；陀螺仪子单元用于测量小车的角速度或角度变化率，可以检测小车在三个轴向上的旋转速率，即角速度的分量。通过对角速度的积分，可以得到姿态(如偏航、俯仰和横滚)的估计。此外，惯导模块通过将加速度子单元和陀螺仪子单元的测量结果进行数据融合，以获得更准确的位置、速度和姿态估计。可选地，数据融合可以利用滤波器(如卡尔曼滤波器)或者其他融合算法来处理和整合传感器数据。

具体地，设置在充电桩上的红外发射模块不断向外发射与设置在小车上的红外接收模块相匹配的红外信号。红外接收模块接收到的红外信号的信号强度为L'

可以理解的是，现有的基于运动规划进行小车脱困的方法的脱困模式固定，无法应对复杂、未知或不可预测的环境，而基于感知与决策的方法需要依赖精确的全局地图和环境模型来进行路径规划和决策，需要设置高成本的高精传感器，且高精地图的构建不仅难度大，而且还需要消耗大量资源。本发明实施例通过设置红外模块、惯导模块、建图模块和避障模块，建图模块根据惯导模块实时采集的小车运动数据计算小车的运动路径，并结合红外接收模块接收到的红外信号、惯导模块输出的小车是否受困的判断结果构建局部地图，进而避障模块在小车受困时根据局部地图执行第一避障任务以帮助小车脱困，无需依赖高精度的全局地图以及高精传感器，降低了地图构建的难度以及耗费的计算资源，同时也降低了硬件成本；此外，由于构建局部地图的数据以及执行避障任务的数据是实时采集的，本发明的脱困模式灵活性更高，脱困模式多样，能够应对复杂、未知或不可预测的环境。另一方面，本发明实施例融合了多种传感器辅助小车脱困，相较于现有的小车脱困方案(采用单一传感器)具有更强的感知能力和更高的感知精度。

可选地，在一些实施例中，红外接收模块中设置有红外接收器，如红外光电二极管或光敏电阻，红外接收模块接收到的红外信号的信号强度L'

可选地，在一些实施例中，红外接收模块接收到红外信号后，对该红外信号进行滤波处理，以去除噪声，从而得到更加精确可靠的红外信号。

可选地，在一些实施例中，红外发射模块包括两个红外发射单元e

其中，回充模块在小车触发回充任务时，微调小车的前进方向至回充方向，小车按照回充方向前进时，红外接收模块接收到的红外信号的信号强度变化梯度方向与第一红外信号和第二红外信号中信号强度较弱的一方的信号强度增强方向一致。

本发明实施例通过设置两组红外发射单元与红外接收单元，通过实时获取两个红外接收单元接收到的红外信号的信号强度并根据该信号强度控制小车回充，使得小车能够更加可靠地执行回充任务，从而小车能够及时充电，提高了小车作业的可靠性。

可选地，在一些实施例中，惯导模块包括姿态解算子单元；

姿态解算子单元获取小车的姿态，根据小车的姿态判断小车是否受困，其中，若小车任一轴的倾角大于预设的倾角阈值，或者小车在原地的旋转角度达到360°，则小车受困，否则小车没有受困。

其中，小车的姿态是基于欧拉角和旋转矩阵推导得到的。

可选地，在一些实施例中，惯导模块为MPU6050传感器。

可选地，在一些实施例中，避障模块在红外接收模块接收不到红外信号时，执行第二避障任务，直至红外接收模块接收到红外信号，第二避障任务为使小车避免与障碍物碰撞的任务。

可以理解的是，本发明实施例建图模块需要根据红外接收模块接收到的红外信号进行局部地图的构建，若红外接收模块接收不到红外信号，则无法构建局部地图，进而在小车受困时也无法基于局部地图辅助小车脱困。为此，本发明实施例在红外接收模块接收不到红外信号时，通过避障模块执行第二避障任务，持续控制小车，避免小车与障碍物碰撞，直至小车运动至红外接收模块能够接收到红外信号的位置，从而确保建图模块能够构建局部地图，进而在小车受困时能够基于局部地图辅助小车脱困。

可以理解的是，红外发射模块具有一个发射范围，当小车在该发射范围以外时，设置于小车上的红外接收模块无法接收到红外发射模块发射的红外信号。

进一步地，执行第一避障任务和第二避障任务时，避障模块实时检测小车与前进方向上的障碍物的距离，若距离小于预设的安全距离，则控制小车转向。

可选地，在一些实施例中，避障模块为TOF传感器。

其次，参照附图描述本发明实施例提出的一种小车脱困方法。

图1是本发明一个实施例的一种小车脱困方法的流程图示意图。本发明实施例的小车脱困方法应用于小车脱困系统中，该小车脱困系统包括红外模块、惯导模块、建图模块和避障模块，其中红外模块包括红外发射模块和红外接收模块，红外发射模块固定设置在小车对应的充电桩上，用于发射红外信号，红外接收模块设置在小车上，用于接收红外信号，小车脱困方法包括：

S101、通过红外接收模块实时接收红外发送模块发送的红外信号；

S102、通过惯导模块实时采集小车在坐标系X轴的角速度、线加速度以及在Y轴的角速度、线加速度，坐标系以充电桩为原点，以水平面为XY平面；

S103、通过惯导模块实时判断小车是否受困，输出判断结果；

S104、根据小车在坐标系X轴的角速度、线加速度以及在Y轴的角速度、线加速度，通过建图模块计算小车的运动路径；

S105、根据运动路径、红外信号的强度以及判断结果，通过建图模块构建局部地图；

S106、若判断结果为受困，根据局部地图，通过避障模块执行第一避障任务，第一避障任务为使小车避免与障碍物碰撞的任务，第一避障任务的首选方向为从小车的当前位置指向局部地图中判断结果为没有受困的坐标点方向。

可见，本方法实施例中的内容均适用于上述系统实施例中，本方法实施例所具体实现的功能与上述系统实施例相同，并且达到的有益效果与上述系统实施例所达到的有益效果也相同。

可选地，在一些实施例中，惯导模块包括姿态解算子单元，步骤S103通过惯导模块实时判断小车是否受困，包括：

通过姿态解算子单元获取小车的姿态，并根据小车的姿态判断小车是否受困，其中，若小车任一轴的倾角大于预设的倾角阈值，或者小车在原地的旋转角度达到360°，则小车受困，否则小车没有受困。

可选地，在一些实施例中，小车脱困方法还包括：

若红外接收模块接收不到红外信号，通过避障模块执行第二避障任务，直至红外接收模块接收到红外信号，第二避障任务为使小车避免与障碍物碰撞的任务。

可以理解的是，本发明实施例需要根据红外接收模块接收到的红外信号进行局部地图的构建，若红外接收模块接收不到红外信号，则无法构建局部地图，进而在小车受困时也无法基于局部地图辅助小车脱困。为此，本发明实施例在红外接收模块接收不到红外信号时，通过避障模块执行第二避障任务，持续控制小车，避免小车与障碍物碰撞，直至小车运动至红外接收模块能够接收到红外信号的位置，从而确保建图模块能够构建局部地图，进而在小车受困时能够基于局部地图辅助小车脱困。

可选地，在一些实施例中，执行第一避障任务和第二避障任务时，通过避障模块实时检测小车与前进方向上的障碍物的距离，若距离小于预设的安全距离，则控制小车转向。

可选地，在一些实施例中，小车脱困方法还包括：

若判断结果为受困且小车在当前位置的所有方向对应局部地图中的判断结果均为受困，或者局部地图损坏，控制小车沿当前前进方向的相反方向运动预设距离至目标位置，并在目标位置以目标路径中目标位置处小车的转向相反的方向进行转向。

可以理解的是，本发明实施例依靠建图模块构建的局部地图辅助小车脱困，当局部地图无法发挥作用时，小车无法脱困，需要人工介入帮助小车脱困，脱困效率低且人力成本高。为此，本发明实施例在局部地图无法发挥作用时，控制小车沿当前前进方向的相反方向运动预设距离至目标位置，并在目标位置以运动路径中目标位置处小车的转向相反的方向进行转向，使得小车能够回溯到运动路径的目标位置处，并以相反的取向继续运动，防止小车受困于无法依赖局部地图脱困的位置，进一步提高了小车脱困的可靠性，减少了人工介入。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本申请的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本申请，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本申请是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本申请。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本申请的范围，本申请的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的程序执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。