云端导游机器人自主巡航系统及方法

技术领域

本发明涉及导游机器人技术领域。更具体地说，本发明涉及云端导游机器人自主巡航系统及方法。

背景技术

在很多旅游景点的各个观赏点都设置有景点介绍牌以供游客阅读更好地了解游览景点，对于不方便观看景点介绍牌的游客或者游览人群密集的景点，起不到相应的引导游览作用，因此也有很多提前录制好的景点介绍音频或者工作人员作为导游进行讲解，都需要进行购买消费才能享受。智能化社会的发展催生了导游机器人，其能在各个景点进行巡航讲解，并且提升了旅游景点的生动性和趣味性，能更好地普及宣传景点文化，还能增加景点的游览量，提高经济效益。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种云端导游机器人自主巡航系统及方法，通过后台云端对导游机器人进行远程路径规划与设定，使导游机器人根据固定的路径进行巡航，实现高效巡航。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种云端导游机器人自主巡航系统，包括：

机器人主控制系统，其包括感应单元、发送单元、接收单元、控制单元和终端平台，所述感应单元感应设置于机器人工作区域的定位点坐标以及机器人的姿态信息，并将定位点坐标及机器人的姿态信息发送给终端平台，所述终端平台根据内置的计划巡航路线识别机器人下一个设定的定位点坐标并与机器人的姿态信息进行对比处理，规划机器人的行进动作，并将此行进动作信息传输给发送单元，所述发生单元将行进动作信息转换为对机器人的具体操作指令；

终端控制系统，其接收对机器人的操作指令后，发送操作指令给接收单元，所述接收单元将对机器人的操作指令发送给控制单元，通过控制单元控制机器人按照操作指令行走动作。

优选的是，所述操作指令包括机器人的航向角、行进距离及行进速度，对应的控制单元控制机器人的转向机构及动力机构动作。

优选的是，所述感应单元感应机器人的姿态信息包括行进速度、位置坐标及航向角，同时所述感应单元还将感应到的机器人的姿态信息直接传输给机器人的操作界面和终端控制系统的显示器并显示。

优选的是，所述感应单元包括设置于机器人上的图像采集设备和云台设备，所述云台设备安装于机器人上构成视觉平台，所述图像采集设备包括可见光摄像头和红外摄像头，其组成高精度云台用于获取并储存定位点图像信息，所述感应单元还内置有计划巡航路线模型，其标注有提前设定的各定位点的坐标，所述感应单元获取的定位点图像信息与计划巡航路线模型进行对比，从而获取各定位点坐标并传输给终端平台，所述感应单元还设置有姿态获取设备，其用于获取机器人的姿态信息并传输给终端平台。

优选的是，所述机器人主控制系统包括主控制子系统及各单元控制子系统，所述主控制子系统分别连接各单元控制子系统，其独立完成对各单元的控制并将各单元的监测信息返回给对应的各单元控制子系统，最终返回给主控制子系统。

优选的是，还包括远程监控系统，所述高精度云台还将获取的数据传输给控制单元，所述远程监控系统与所述控制单元通讯，所述控制单元将所述高精度云台传输的数据再传输给远程监控系统并显示监控画面，所述远程监控系统还与所述终端控制装置通讯。

优选的是，机器人与终端控制系统的信号传输通过数传电台与无线漏缆，所述远程监控系统与机器人通过WiFi建立Socket通信。

本发明还提供一种云端导游机器人自主巡航方法，包括如下步骤：

S1：启动自主巡航系统并自动进行初始化，检测终端控制系统是否与机器人成功连接，若成功连接，则感应单元感应机器人的姿态信息，并接收机器人的姿态信息数据，感应单元将机器人的姿态信息与内置的计划巡航路线模型进行对比并在计划巡航路线模型上对机器人位置进行标注，并将此标注信息发送给终端控制系统，所述终端控制系统成功收到应答消息后，进行后续工作；若终端控制装置未与机器人成功连接或未成功收到应答消息，则均重新进行自主巡航系统初始化；

S2：终端控制系统成功收到应答消息后，通过图像采集设备获取各定位点图像信息，并与感应单元内置的计划巡航路线模型进行对比，从而根据计划巡航路线模型预设的坐标模型得到各定位点图像信息上的各定位点坐标，并传输给终端平台；

S3：终端平台还获取机器人的姿态信息，根据终端平台内置的计划巡航路线识别此时机器人下一个巡航的定位点，并将此定位点坐标与机器人的位置坐标进行对比，根据直线行走规则，规划机器人需要行进的方向及距离，并将规划的机器人动作传输给发送单元；

S4：发送单元根据此时机器人的姿态信息，包括朝向、位置及行进速度，再结合规划的机器人需要行进的方向及距离，转换为机器人需要转向的角度及行进速度为操作指令；

S5：将上述操作指令发送给终端控制系统，终端控制系统再将此操作指令发送给接收单元，接收单元将对机器人的操作指令发送给控制单元，通过控制单元控制机器人按照操作指令行走动作；

S6：重复上述步骤S2至S5，直至获取的机器人位置坐标与下一个巡航的定位点坐标保持一致，即当终端控制系统接收到的操作指令均为0时，将此操作指令发送给接收单元，并通过控制单元控制动力机构停止动作设定的时间；

S7：设定的时间结束后，重复上述步骤S2至S6，直至完成规划的巡航路线。

优选的是，自主巡航系统监测到终端控制系统与机器人主控制系统断开信号连接时，发送单元将机器人的操作指令直接发送给接收单元，接收单元将对机器人的操作指令发送给控制单元，通过控制单元控制机器人按照操作指令行走动作，实现机器人根据规定路线自主巡航。

优选的是，终端控制系统与机器人主控制系统采用面向连接的TCP传输协议，在终端控制系统与机器人主控制系统之间发送和接收数据前必须先建立连接，两者的通讯连接流程如下：

终端控制系统创建客户Socket，并等待向机器人主控制系统发起连接请求，然后向机器人主控制系统发起连接请求，监测是否连接成功，若连接未成功则再次进入等待向机器人主控制系统发起连接请求，若连接成功则终端控制系统Socket处于连接状态，并发送消息，若断开连接则再次进入等待向机器人主控制系统发起连接请求；

机器人主控制系统创建监听Socket，机器人主控制系统进入监听状态，监听是否收到终端控制系统发起的连接请求，若未收到则继续进入监听状态，若收到则创建服务Socket，等待终端控制系统发来消息，并监测是否收到断开请求，若收到断开请求则再次进入机器人主控制系统进入监听状态，若未收到断开请求，则继续等待终端控制系统发来消息并接收消息实现通讯。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明通过后台云端对导游机器人进行远程路径规划与设定，使导游机器人根据固定的路径进行巡航，提升了旅游景点的生动性和趣味性。

2、本发明只需要开启自主巡航系统就能按照系统设定好的路线自主完成巡航任务，并且还能通过远程监控系统实时监控导游机器人的巡航情况，实现高效巡航任务。

3、本发明采用IP地址+协议+端口来唯一标识网络中的应用进程，实现机器人主控制系统与终端控制系统的远程监控通讯，对于较为复杂的工作环境，导游机器人也能实现稳定的通讯，有利于导游机器人的精确巡航导游。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的系统运行流程图；

图2为本发明的通讯流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供一种云端导游机器人自主巡航系统，包括：

机器人主控制系统，其包括感应单元、发送单元、接收单元、控制单元和终端平台，所述感应单元感应设置于机器人工作区域的定位点坐标以及机器人的姿态信息，并将定位点坐标及机器人的姿态信息发送给终端平台，所述终端平台根据内置的计划巡航路线识别机器人下一个设定的定位点坐标并与机器人的姿态信息进行对比处理，规划机器人的行进动作，并将此行进动作信息传输给发送单元，所述发生单元将行进动作信息转换为对机器人的具体操作指令；

终端控制系统，其接收对机器人的操作指令后，发送操作指令给接收单元，所述接收单元将对机器人的操作指令发送给控制单元，通过控制单元控制机器人按照操作指令行走动作。

所述操作指令包括机器人的航向角、行进距离及行进速度，对应的控制单元控制机器人的转向机构及动力机构动作。

所述感应单元感应机器人的姿态信息包括行进速度、位置坐标及航向角，同时所述感应单元还将感应到的机器人的姿态信息直接传输给机器人的操作界面和终端控制系统的显示器并显示。

在上述技术方案中，机器人主控制系统的信号可以通过电台传送到终端控制系统上，同时也可以把终端控制系统的相关指令，通过电台传送到机器人主控制系统上的相关模块单元内，模块单元对信号进行转换后，来控制机器人做出相关的动作或者操作。所以，系统的整个流程为发送单元发送相应的操作指令，而终端平台接收到指令并进行处理，再发送给远程的终端装置，收到指令后，通过总线发送给机器人主控制系统的接收单元，命令执行完成后将结果再通过总线发回到终端控制系统并且通过开发板的显示器显示出来。可以通过设置工作的定位点，定位点所围成的区域即为工作区域，机器人的工作路径就会沿着这些定位点的直线端进行，开始工作后，操作界面会显示机器人的行进速度、方向以及航向角的信息。在一定的时间内机器人经过多个任务点，完成计划中的巡航活动，并最终回到出发地点。

机器人的姿态信息获取为现有常规的手段，在此并未详细赘述，例如通过在机器人上设置GPS获取位置坐标，在机器人的正面固定图像采集设备的位置设置为机器人的定位点，根据此定位点结合图像与下一个待巡航的定位点之间的位置关系判断机器人的航向角等。

在另一种技术方案中，所述感应单元包括设置于机器人上的图像采集设备和云台设备，所述云台设备安装于机器人上构成视觉平台，所述图像采集设备包括可见光摄像头和红外摄像头，其组成高精度云台用于获取并储存定位点图像信息，所述感应单元还内置有计划巡航路线模型，其标注有提前设定的各定位点的坐标，所述感应单元获取的定位点图像信息与计划巡航路线模型进行对比，从而获取各定位点坐标并传输给终端平台，所述感应单元还设置有姿态获取设备，其用于获取机器人的姿态信息并传输给终端平台。

还包括远程监控系统，所述高精度云台还将获取的数据传输给控制单元，所述远程监控系统与所述控制单元通讯，所述控制单元将所述高精度云台传输的数据再传输给远程监控系统并显示监控画面，所述远程监控系统还与所述终端控制装置通讯。

机器人与终端控制系统的信号传输通过数传电台与无线漏缆，所述远程监控系统与机器人通过WiFi建立Socket通信。

在上述技术方案中，图像采集设备包括可见光摄像头和红外摄像头，云台设备安置在机器人上，构成机器人的视觉平台。为满足需求，此设计选用的视觉系统平台配置高精度云台，可以检测每个角落；并搭载高清摄像用来读取仪表示数、视频拍摄等。选用远距离、信号强的无线网络设备，与远程监控系统完成通信，机器人与远程监控后台通过WiFi建立Socket通信，确保自主巡航模式下，机器人能控制云台并保存数据，同时，远程监控也能控制云台并获取相应数据，从而实现高效巡航。机器人需要完成自主巡航，即一键开机后按已设定的路线自主完成巡航任务。同时，当远程监控设备打开后，需将实时监控画面传输到监控室，并能够“听从”后台发来的命令。

终端控制系统还能根据实时监控画面人为控制机器人的巡航路线，在终端控制系统中输入控制操作指令，并发送给接收单元，并通过控制单元进行控制，实现根据特殊需要人为控制巡航路线。

在另一种技术方案中，所述机器人主控制系统包括主控制子系统及各单元控制子系统，所述主控制子系统分别连接各单元控制子系统，其独立完成对各单元的控制并将各单元的监测信息返回给对应的各单元控制子系统，最终返回给主控制子系统。主控制子系统可以通过总线与各子系统模块单元进行通信。主控制子系统采用嵌入式微控制器和嵌入式实时操作系统，系统支持多任务管理和任务间的同步与通信，能对多个传感器信息进行实时处理，实现自主控制，满足复杂环境条件下的控制和数据传输的需要。

本发明还公开了一种云端导游机器人自主巡航方法，包括如下步骤：

S1：启动自主巡航系统并自动进行初始化，检测终端控制系统是否与机器人成功连接，若成功连接，则感应单元感应机器人的姿态信息，并接收机器人的姿态信息数据，感应单元将机器人的姿态信息与内置的计划巡航路线模型进行对比并在计划巡航路线模型上对机器人位置进行标注，并将此标注信息发送给终端控制系统，所述终端控制系统成功收到应答消息后，进行后续工作；若终端控制装置未与机器人成功连接或未成功收到应答消息，则均重新进行自主巡航系统初始化；如图1所示，控制系统启动后，系统会自动进入初始化状态，并且会自动搜索信号，与机器人的数据连接成功后，就能够实现正常的检测、观察和操作等功能；

S2：终端控制系统成功收到应答消息后，通过图像采集设备获取各定位点图像信息，并与感应单元内置的计划巡航路线模型进行对比，从而根据计划巡航路线模型预设的坐标模型得到各定位点图像信息上的各定位点坐标，并传输给终端平台；

S3：终端平台还获取机器人的姿态信息，根据终端平台内置的计划巡航路线识别此时机器人下一个巡航的定位点，并将此定位点坐标与机器人的位置坐标进行对比，根据直线行走规则，规划机器人需要行进的方向及距离，并将规划的机器人动作传输给发送单元；

S4：发送单元根据此时机器人的姿态信息，包括朝向、位置及行进速度，再结合规划的机器人需要行进的方向及距离，转换为机器人需要转向的角度及行进速度为操作指令；

S5：将上述操作指令发送给终端控制系统，终端控制系统再将此操作指令发送给接收单元，接收单元将对机器人的操作指令发送给控制单元，通过控制单元控制机器人按照操作指令行走动作；

S6：重复上述步骤S2至S5，直至获取的机器人位置坐标与下一个巡航的定位点坐标保持一致，即当终端控制系统接收到的操作指令均为0时，将此操作指令发送给接收单元，并通过控制单元控制动力机构停止动作设定的时间；

S7：设定的时间结束后，重复上述步骤S2至S6，直至完成规划的巡航路线。

在另一种技术方案中，自主巡航系统监测到终端控制系统与机器人主控制系统断开信号连接时，发送单元将机器人的操作指令直接发送给接收单元，接收单元将对机器人的操作指令发送给控制单元，通过控制单元控制机器人按照操作指令行走动作，实现机器人根据规定路线自主巡航。

在另一种技术方案中，终端控制系统与机器人主控制系统采用面向连接的TCP传输协议，在终端控制系统与机器人主控制系统之间发送和接收数据前必须先建立连接，两者的通讯连接流程如下，如图2所示：

终端控制系统创建客户Socket，并等待向机器人主控制系统发起连接请求，然后向机器人主控制系统发起连接请求，监测是否连接成功，若连接未成功则再次进入等待向机器人主控制系统发起连接请求，若连接成功则终端控制系统Socket处于连接状态，并发送消息，若断开连接则再次进入等待向机器人主控制系统发起连接请求；

机器人主控制系统创建监听Socket，机器人主控制系统进入监听状态，监听是否收到终端控制系统发起的连接请求，若未收到则继续进入监听状态，若收到则创建服务Socket，等待终端控制系统发来消息，并监测是否收到断开请求，若收到断开请求则再次进入机器人主控制系统进入监听状态，若未收到断开请求，则继续等待终端控制系统发来消息并接收消息实现通讯。

在上述技术方案中，机器人终端和监控端的距离通常较远，且考虑到机器人工作环境的复杂性，实施布线工程大，因此选择无线通信方式。目前无线通讯技术发展很快，较成熟的有红外、蓝牙、GPRS及4G、WIFI等。其中红外、蓝牙传输距离相对较短，GPRS难以满足视频数据流的带宽要求，4G价格昂贵，且偏远地区不能保证覆盖完好，因此采用WiFi通信。在无线局域网基础上，采用面向连接的TCP(transmission control protocol)传输协议，设计了Windows Socket通信。远程监控终端和机器人终端间使用C/S(client/sever)模型，采用IP地址+协议+端口来唯一标识网络中的应用进程，连接过程需要进行“3次握手”，即交换3个分组。应用到远程监控通信中，建立通信流程。

在发送和接收数据之前必需先建立连接，软件运行后，机器人终端为服务器端，先创建一个用户监听的套接字，并调用Listen()函数，使之处于监听状态，当监控端调用Connection()函数，向服务器发出连接请求后，服务器调用Accept()函数，通过请求创建服务Socket接着进行数据的传输。在数据传输结束后，双方均调用CloseSocket()函数关闭套接字。在远程监控系统中，监控终端承担着图像采集、图像处理、视频压缩、与机器人终端通信等任务，此程序采用了阻塞性套接字I/O模式来满足通信的可靠性。为了提高系统的可靠性和稳定性，并支持多个后台同时监控，此程序采用了多线程技术。在MFC中，使用CWinThread类创建多线程函数为ListenThreadFunc()，Socket代码在此线程里执行。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。