一种固定路径作业的机器人RFID导航方法及装置

技术领域

本发明涉及导航定位技术领域，尤其是涉及一种固定路径作业的机器人RFID导航方法及装置。

背景技术

对于固定路径作业机器人，其轨道建立通常采用物理轨道、无线定位轨道和雷达SLAM轨道三种技术。物理轨道在一定场合下可以规定作业机器人的作业路径，但物理轨道铺设麻烦，且影响整个作业区域的原有布局。雷达SLAM轨道无需铺设附属轨道，也无需配置无线定位设备，但雷达SLAM轨道相对而言比较容易失位，失位后的机器人不易回到预设轨道。无线定位轨道可以在作业区域内形成可靠的运动轨线，但无线信号易受干扰，漂移后的无线定位轨道会导致机器人行走的误动。因此，有必要设计一种新的方案，在无线导航极易受干扰的情形下，实现机器人的可靠导航与定位。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题，本发明采取的技术方案为：

一种固定路径作业的机器人RFID导航方法，包括如下步骤：

S0、导航开始前，采用安装有摄像头、机械臂和RFID读卡器的机器人，并且，对机器人作业时的固定路径进行着色，使固定路径与周围环境产生显著差异，并在固定路径上根据需要部署好若干个RFID标签，并根据RFID标签的位置在固定路径中的顺序，为每个RFID标签配置对应的序号；

S1、机器人开始工作后，通过摄像头获取路面照片信息，同时RFID读卡器检测RFID标签；

S2、RFID读卡器未检测到RFID标签时，通过摄像头获取的路面照片信息，自动识别固定路径区域，并使机器人自动沿固定路径区域的中心行走，直到检测到RFID标签；

S3、RFID读卡器检测到任意一个或多个RFID标签后，先根据RFID标签的序号，确定序号最靠后的RFID标签，由当前序号最靠后的RFID标签来导航机器人的运动，若运动过程中不再能检测到RFID标签则返回步骤S2；

S4、重复以上步骤S2和S3，从而完成机器人的导航。

在一些实施例中，步骤S0中，所述摄像头与机械臂分别通过旋转云台可转动地安装在所述机器人上表面的不同位置，所述RFID读卡器安装在所述机械臂的末端。

在一些实施例中，步骤S1中，通过摄像头获取路面照片信息时，使摄像头不断旋转，且每旋转预设角度拍摄一张路面的视觉照片，拍摄的同时记录视觉照片对应的机器人方位角。

在一些实施例中，步骤S2中，具体包括如下步骤：

S21、RFID读卡器4未检测到RFID标签时，根据固定路径区域与周围环境的显著差异，采用RGB直方图提取算法，获取每张视觉照片的视觉框内的路径RGB直方图信息，其中视觉框为以视觉照片的中心线为对称轴，左右对称并具有预设宽度的矩形框；

S22、若所有的视觉框中均找不到路径RGB直方图，表示机器人1已失位，则发送错误信息提示人工处理，并中止流程，否则进入步骤S23；

S23、根据视觉框中的路径RGB直方图，判断当前机器人相对于固定路径区域的位置，自动调整机器人的运行方向，同时摄像头不断获取新的视觉照片，直到方位角为0°的视觉照片中，路径RGB直方图位于视觉框正中心，表示机器人当前运行方向已对正到固定路径区域的中心；

S24、使机器人自动沿固定路径区域的中心行走，直到检测到RFID标签。

在一些实施例中，步骤S0中，部署RFID标签时：

对于固定路径中的转弯处，在转弯前后两侧的路径中部各部署一组RFID标签，并在机器人的每个作业点处部署一组RFID标签；

每组RFID标签均包括设置在同一位置的高频RFID标签、中频RFID标签与低频RFID标签，每组RFID标签均压制在一个保护盖的底部，保护盖与对应的一组RFID标签一起固定在路面上；

并且，机器人的RFID读卡器采用多频读卡器，能够分别读取高频RFID标签、中频RFID标签与低频RFID标签。

在一些实施例中，步骤S1与S2中，机器人开始工作后，在未检测到RFID标签时，在机械臂的控制下，使RFID读卡器方位角为0°，RFID读卡器先不断检测高频RFID标签；

步骤S3中，检测到任意一个高频RFID标签后，若该高频RFID标签为当前检测到的序号最靠后的RFID标签，则具体根据如下步骤来导航机器人的运动：

S31、先判断该高频RFID标签所在的方向是否与机器人预定的运动方向一致，若一致则进入步骤S32a，若不一致，则进入步骤S32b；

S32a、使机器人正对该高频RFID标签前行，且前行过程中，通过机械臂控制RFID读卡器在-60°到60°之间的方位角范围内往复旋转，同时RFID读卡器切换为检测中频RFID标签的状态，进入步骤S33；

S32b、使机器人反向正对该高频RFID标签运动，并通过机械臂使RFID读卡器方位角为0°并继续检测高频RFID标签，运动过程中若不再能检测到RFID标签则返回步骤S2，若检测到下一个高频RFID标签则返回步骤S31；

S33、若在RFID读卡器检测中频RFID标签的状态下，机器人前行距离达到预设值，仍未检测到中频RFID标签，则使机器人以高频RFID标签的读取点为搜索中心，在一定范围内往复运动预设次数并搜索中频RFID标签，若依然未检测到中频RFID标签，则中止流程并发送告警信息，若检测到中频RFID标签则进入步骤S34；

S34、RFID读卡器切换为检测低频RFID标签的状态，通过机械臂控制RFID读卡器，以中频RFID标签的读取点为搜索中心，在一定范围内往复运动，以搜索低频RFID标签，若未能检测到低频RFID标签，则中止流程并发送告警信息，若检测到低频RFID标签则进入步骤S35；

S35、使机器人运动至低频RFID标签正上方，过程中使RFID读卡器保持在低频RFID标签可读状态；

S36、机器人在低频RFID标签处完成预设任务后，使机器人向下一个行进方向正对，返回步骤S1。

本发明另一方面提供了一种固定路径作业的机器人RFID导航装置，包括机器人、摄像头、机械臂与RFID读卡器，并且，该固定路径作业的机器人RFID导航装置采用上述的固定路径作业的机器人RFID导航方法实现机器人的导航。

在一些实施例中，所述摄像头固定安装在一个直杆的顶端，所述直杆的底端通过第一水平旋转云台安装在机器人的上表面；

所述机械臂包括水平长臂、水平短臂与垂直臂；

所述水平长臂的一端通过第二水平旋转云台安装在机器人的上表面，所述水平长臂的另一端安装有第三水平旋转云台；

所述水平短臂的一端安装在第三水平旋转云台上，所述水平短臂的另一端安装有垂直旋转云台；

所述垂直臂的一端安装在垂直旋转云台上，所述RFID读卡器安装在垂直臂的另一端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的固定路径作业的机器人RFID导航方法及装置，通过视觉装置结合RFID导航装置实现定位导航，能够作为后备导航手段，低成本解决了固定路径作业情形下的无线导航、方位仪失效问题；可应用于变电站或发电厂固定路径作业机器人。

附图说明

图1为本发明提供的固定路径作业的机器人RFID导航方法的流程示意图；

图2为机器人的结构示意图；

图3a-图3d表示不同情况下视觉框的示意图。

附图标记说明：

1、机器人；2、摄像头；3、机械臂；4、RFID读卡器；5、直杆；6、第一水平旋转云台；7、第二水平旋转云台；8、第三水平旋转云台；9、垂直旋转云台；31、水平长臂；32、水平短臂；33、垂直臂。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本发明是如何实施的。

参照图1和图2所示，本发明提供了一种固定路径作业的机器人RFID导航方法，包括如下步骤：

S0、导航开始前，采用安装有摄像头2、机械臂3和RFID读卡器4的机器人1，并且，对机器人1作业时的固定路径进行着色，使固定路径与周围环境产生显著差异，并在固定路径上根据需要部署好若干个RFID标签，并根据RFID标签的位置在固定路径中的顺序，为每个RFID标签配置对应的序号；

S1、机器人1开始工作后，通过摄像头2获取路面照片信息，同时RFID读卡器4检测RFID标签；

S2、RFID读卡器4未检测到RFID标签时，通过摄像头2获取的路面照片信息，自动识别固定路径区域，并使机器人1自动沿固定路径区域的中心行走，直到检测到RFID标签；

S3、RFID读卡器4检测到任意一个或多个RFID标签后，先根据RFID标签的序号，确定序号最靠后的RFID标签，由当前序号最靠后的RFID标签来导航机器人1的运动，若运动过程中不再能检测到RFID标签则返回步骤S2；

S4、重复以上步骤S2和S3，从而完成机器人1的导航。

可以理解的是，射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是自动识别技术的一种，其原理为RFID读卡器4与标签之间进行非接触式的数据通信，达到识别目标的目的。本发明通过视觉装置结合RFID导航装置实现定位导航，能够作为后备导航手段，低成本解决了固定路径作业情形下的无线导航、方位仪失效问题；可应用于变电站或发电厂固定路径作业机器人。

参照图2所示，摄像头2与机械臂3分别通过旋转云台可转动地安装在机器人1上表面的不同位置，RFID读卡器4安装在机械臂3的末端。

另外，步骤S0中，对固定路径进行着色时，可采用油漆或其它着色方式，按横平竖直的方式来着色，着色一方面需要与周围环境着色产生显著差异，另一方面需要符合道路规范。

优选地，步骤S1中，通过摄像头2获取路面照片信息时，使摄像头2不断旋转，且每旋转预设角度拍摄一张路面的视觉照片，拍摄的同时记录视觉照片对应的机器人1方位角。

在一个具体实施例中，摄像头2可每旋转1°即拍摄一张视觉照片，共获取360张照片。

优选地，步骤S2中，具体包括如下步骤：

S21、RFID读卡器4未检测到RFID标签时，根据固定路径区域与周围环境的显著差异，采用RGB直方图提取算法，获取每张视觉照片的视觉框内的路径RGB直方图信息，其中视觉框为以视觉照片的中心线为对称轴，左右对称并具有预设宽度的矩形框；

S22、若所有的视觉框中均找不到路径RGB直方图，表示机器人1已失位，则发送错误信息提示人工处理，并中止流程，否则进入步骤S23；

S23、根据视觉框中的路径RGB直方图，判断当前机器人1相对于固定路径区域的位置，自动调整机器人1的运行方向，同时摄像头2不断获取新的视觉照片，直到方位角为0°的视觉照片中，路径RGB直方图位于视觉框正中心，表示机器人1当前运行方向已对正到固定路径区域的中心；

S24、使机器人1自动沿固定路径区域的中心行走，直到检测到RFID标签。

在一个具体实施例中，参照图3a-图3d所示，虚线框即表示视觉框，黑色条状区域表示路径RGB直方图，当方位角为0°时，图3a中路径RGB直方图位于视觉框正中心，表示机器人位于路径中心且对正；图3b表示机器人位置相对于路径部分侧偏；图3c表示机器人位置相对于路径完全偏离，但视觉照片中能够找到路径RGB直方图；图3d表示机器人偏离路径，且视觉照片中找不到路径RGB直方图。

可以理解的是，步骤S21中，在固定路径与周围环境颜色显著标定的情形下，路径RGB直方图视觉特征很容易获取，RGB直方图提取算法采用现有的常规视觉算法即可，本发明对此不再赘述。

进一步地，步骤S22中，若所有的视觉框中均找不到路径RGB直方图，即所有视觉照片均如图3d所示，表示机器人1已失位，则发送错误信息提示人工处理，并中止流程。

步骤S23中，自动调整机器人1的运行方向时，根据视觉照片中路径RGB直方图的情况，自动计算所需调整的角度与距离，使机器人快速运动至路径中心并对正，最终使方位角为0°的视觉照片中，路径RGB直方图位于视觉框正中心，即对应于图3a中的情况，表示机器人1当前运行方向已对正到固定路径区域的中心。

另外，可以理解的是，机器人1自带的方位仪的方位角虽然受到电磁干扰，但在数据稳定期间可以为机器人1的行走提供粗略的方位信息，该信息或许不能用于精确导航，但用于判定机器人的整体前进方向是否正确是无疑问的。因此，本发明自动调整机器人1的运行方向时，结合机器人1自带的方位仪，能够避免机器人1反向运行。

优选地，步骤S0中，部署RFID标签时：对于固定路径中的转弯处，在转弯前后两侧的路径中部各部署一组RFID标签，并在机器人1的每个作业点处部署一组RFID标签；每组RFID标签均包括设置在同一位置的高频RFID标签、中频RFID标签与低频RFID标签，每组RFID标签均压制在一个保护盖的底部，保护盖与对应的一组RFID标签一起固定在路面上；并且，机器人1的RFID读卡器4采用多频读卡器4，能够分别读取高频RFID标签、中频RFID标签与低频RFID标签。

另外，如有条件，对于固定路径中的长直路，可每隔预设距离(如10-50m)部署一组RFID标签。

可以理解的是，高频RFID标签、中频RFID标签与低频RFID标签分别对应于不同的可读取距离。高频RFID标签对应于远距离，如100cm以内；中频RFID标签对应于中距离，如30cm以内；低频RFID标签对应于短距离，如10cm以内。

在一个具体实施例中，步骤S1与S2中，机器人1开始工作后，在未检测到RFID标签时，在机械臂3的控制下，使RFID读卡器4方位角为0°，RFID读卡器4先不断检测高频RFID标签；

接下来，步骤S3中，检测到任意一个高频RFID标签后，若该高频RFID标签为当前检测到的序号最靠后的RFID标签，则具体根据如下步骤来导航机器人1的运动：

S31、先判断该高频RFID标签所在的方向是否与机器人1预定的运动方向一致，若一致则进入步骤S32a，若不一致，则进入步骤S32b；

S32a、使机器人1正对该高频RFID标签前行，且前行过程中，通过机械臂3控制RFID读卡器4在-60°到60°之间的方位角范围内往复旋转，同时RFID读卡器4切换为检测中频RFID标签的状态，进入步骤S33；

S32b、使机器人1反向正对该高频RFID标签运动，并通过机械臂3使RFID读卡器4方位角为0°并继续检测高频RFID标签，运动过程中若不再能检测到RFID标签则返回步骤S2，若检测到下一个高频RFID标签则返回步骤S31；

S33、若在RFID读卡器4检测中频RFID标签的状态下，机器人1前行距离达到预设值(如100cm)，仍未检测到中频RFID标签，则使机器人1以高频RFID标签的读取点为搜索中心，在一定范围内(如在搜索中心前后30cm范围内)往复运动预设次数并搜索中频RFID标签，若依然未检测到中频RFID标签，则中止流程并发送告警信息，若检测到中频RFID标签则进入步骤S34；

S34、RFID读卡器4切换为检测低频RFID标签的状态，通过机械臂3控制RFID读卡器4，以中频RFID标签的读取点为搜索中心，在一定范围内往复运动，以搜索低频RFID标签，若未能检测到低频RFID标签，则中止流程并发送告警信息，若检测到低频RFID标签则进入步骤S35；

可以理解的是，步骤S34中搜索低频RFID标签时，因机器人1本身已距离标签很近，当机器人1运动至中频RFID标签的读取点后，机器人1无需再移动，而只通过机械臂3带动RFID读卡器4在一定范围内运动，以检测低频RFID标签即可；

S35、使机器人1运动至低频RFID标签正上方，过程中使RFID读卡器4保持在低频RFID标签可读状态，具体可通过机械臂3使RFID读卡器4贴近路面且方向固定，从而保持低频RFID标签的可读状态；

S36、机器人1在低频RFID标签处完成预设任务后，使机器人1向下一个行进方向正对，返回步骤S1。

可见，本发明提供的固定路径作业的机器人RFID导航方法，通过不同感应距离的RFID标签的搜索，逐步缩小到定位点的距离，从而实现定位作业，大大提高了定位精确性，有利于实现机器人的精确转向以及定位至特定的工作点完成工作。RFID标签频段固定，感应距离较短，即便是在电磁干扰较为频繁的环境下，也能很好工作。且RFID标签容易部署，价格低廉。很好地解决了变电站或发电厂固定路径作业机器人在无线导航失效情形下的后备定位问题。

本发明另一方面提供了一种固定路径作业的机器人RFID导航装置，包括机器人1、摄像头2、机械臂3与RFID读卡器4，并且，该固定路径作业的机器人RFID导航装置采用上述的固定路径作业的机器人RFID导航方法实现机器人1的导航。

进一步地，摄像头2固定安装在一个直杆5的顶端，直杆5的底端通过第一水平旋转云台6安装在机器人1的上表面；机械臂3包括水平长臂31、水平短臂32与垂直臂33；水平长臂31的一端通过第二水平旋转云台7安装在机器人1的上表面，水平长臂31的另一端安装有第三水平旋转云台8；水平短臂32的一端安装在第三水平旋转云台8上，水平短臂32的另一端安装有垂直旋转云台9；垂直臂33的一端安装在垂直旋转云台9上，RFID读卡器4安装在垂直臂33的另一端。

可以理解的是，机器人内可安装有控制器，来控制机器人的车轮、机械臂3、云台等结构的自动运动，其控制原理属于本领域的常规技术手段，在此不再赘述。

在一个具体实施例中，摄像头可为常规常规摄像头，视距可在0.3～2m；水平长臂31长度可为70cm，水平短臂32长度可为50cm，垂直臂33的长度可为30cm。水平长臂31、水平短臂32及对应的云台能够为RFID读卡器4提供较大水平运动范围；垂直旋转云台9和垂直臂33能够带动RFID读卡器4贴近路面，方便于低频RFID标签的读取。

综上，本发明提供的固定路径作业的机器人RFID导航方法及装置，通过视觉装置结合RFID导航装置实现定位导航，能够作为后备导航手段，低成本解决了固定路径作业情形下的无线导航、方位仪失效问题；可应用于变电站或发电厂固定路径作业机器人。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。