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CN104360685B - 一种基于iGPS的全向移动平台自主导航系统 - Google Patents

一种基于iGPS的全向移动平台自主导航系统 Download PDF

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CN104360685B
CN104360685B CN201410601809.XA CN201410601809A CN104360685B CN 104360685 B CN104360685 B CN 104360685B CN 201410601809 A CN201410601809 A CN 201410601809A CN 104360685 B CN104360685 B CN 104360685B
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李波
李明
段三军
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Beijing Institute of Specialized Machinery
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Abstract

本发明涉及一种基于iGPS的全向移动平台自主导航系统，属于室内移动机器人自主导航技术领域。本发明基于iGPS接收机的定位数据与伺服电机的电机编码数据融合进行组合定位，能适应光照、温度、振动等环境因素影响，具有很强的环境适应性，具备定位精度高，实时性好等优点。

Description

一种基于iGPS的全向移动平台自主导航系统
技术领域
本发明涉及室内移动机器人自主导航技术领域，具体涉及一种基于iGPS的全向移动平台自主导航系统。
背景技术
移动机器人导航是实现在复杂环境下依靠传感器感知环境，依靠行为决策控制移动机器人从起始位置行驶到目标位置的过程。常见的导航方法有：惯性导航、视觉识别导航、电磁感应导航、磁条引导导航、激光雷达导航。
上述导航方式中，惯性导航在短距离的导航上精确度高、可靠性好，但因为缺少实时纠偏装置而存在累计误差，导致不适应长距离导航。其它几种导航方式存在精度低，受环境影响较大，对其它设备产生电磁干扰等缺点，并且需要预先固定行走路径，存在布局、改造与维护困难，缺少灵活性的缺陷。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种精确度高、受环境影响小的全向移动平台自主导航系统。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于iGPS的全向移动平台自主导航系统，包括全向移动平台、iGPS接收机、工控机、uMac控制器、伺服电机；
所述iGPS接收机为多个，安装在全向移动平台的车架上，用于获取全向移动平台的位置坐标，并发送给工控机；
所述伺服电机包括电机本体、驱动器和编码器，所述驱动器安装在全向移动平台的车架上，所述电机本体和编码器安装在全向移动平台的各个轮组上，所述伺服电机用于测量电机本体转动量作为编码反馈信息发送给工控机；
所述工控机用于接收全局路径信息，并结合iGPS接收机发送的位置坐标信息以及伺服电机发送的编码反馈信息解算全向移动平台在全局路径中的位置，并向uMac控制器发送相应的控制指令；
所述uMac控制器用于根据接收到的控制指令控制伺服电机转动实现全向移动平台的自主行驶。
优选地，所述工控机具体用于每隔第一周期接收4个iGPS接收机的位置坐标，并解算全向移动平台的位置与航向，实现全局定位；间隔第二周期接收4个伺服电机的编码反馈计算全向移动平台局部行走距离，作为全向移动平台移动位置增量实现局部定位；并将全局定位数据与局部定位数据融合作为全向移动平台最终位置坐标，并根据最终位置坐标与全局路径信息中的下一路径点进行比较获知全向移动平台在全局路径中的位置，若判断出全向移动平台未到达临界位置，则向uMac控制器发送期望速度控制指令，否则向uMac控制器发送期望位置控制指令，所述临界位置表示剩余位移，为预设阈值。
优选地，全向移动平台的车架上还安装有安全扫描仪，用于所述在全向移动平台行驶的整个过程中向工控机发送扫描数据，使工控机实时进行安全避障。
优选地，所述全向移动平台上安装有4个麦克纳姆轮轮组，用于实现全向移动平台的前进、后退、横移、旋转以及其它复合运动。
优选地，所述全向移动平台自主导航系统还包括安装在全向移动平台车架上的工控机控制柜，所述工控机安装在所述工控机控制柜内。
(三)有益效果
本发明基于iGPS接收机的定位数据与伺服电机的电机编码数据融合进行组合定位，能适应光照、温度、振动等环境因素影响，具有很强的环境适应性，具备定位精度高，实时性好等优点。
附图说明
图1为本发明的系统中的部分结构示意图；
图2为本发明的系统的工作流程图；
图3为传感器数据(iGPS与编码器数据)与控制数据(速度或位移控制指令)流转示意图；
图4为本发明的系统的工作流程中的关键算法原理图。
其中，1-iGPS接收机、2-工控机控制柜、3-安全扫描仪、4-麦克纳姆轮轮组、5-uMac控制器、6-驱动器、7-全向移动平台车架。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种基于iGPS的全向移动平台自主导航系统，包括全向移动平台、iGPS接收机1、工控机、uMac控制器5、伺服电机；
其中，所述全向移动平台包括4个麦克纳姆轮轮组和车架，麦克纳姆轮轮组用于实现全向移动平台的前进、后退、横移、旋转以及其它复合运动。
所述iGPS接收机1为多个，安装在全向移动平台的车架7上，用于获取全向移动平台的位置坐标，并发送给工控机；
所述伺服电机包括电机本体、驱动器6和编码器，所述驱动器6安装在全向移动平台的车架7上，所述电机本体和编码器安装在全向移动平台的各个轮组上，所述伺服电机用于测量电机本体转动量作为编码反馈信息发送给工控机；
所述工控机用于通过无线网络UDP/IP协议接收现场中控台发送的全局路径信息(该全局路径信息由一系列带航向的坐标点组成)，并结合iGPS接收机1发送的位置坐标信息以及伺服电机发送的编码反馈信息解算全向移动平台在全局路径中的位置，并向uMac控制器5发送相应的控制指令；
所述uMac控制器5用于根据接收到的控制指令控制伺服电机转动实现全向移动平台的自主行驶。
参考图2～图4，所述工控机具体用于每隔2s通过485接口接收4个iGPS接收机1的位置坐标，并解算全向移动平台的位置与航向(通过计算斜率得到)，实现全局定位；间隔100ms接收4个伺服电机的编码器的编码反馈(为电机转动量)计算全向移动平台局部行走距离(上一时刻的电机转动量与此时刻电机转动量进行比较得出)，作为全向移动平台移动位置增量实现局部定位(同样得到位置与航向)；并将全局定位数据与局部定位数据融合作为全向移动平台最终位置坐标(数据融合的方式为：局部定位方式实时进行，在工控机未接收到iGPS接收机的位置坐标信息时，将局部定位结果作为最终结果，否则，将全局定位方式得到的全局定位数据作为参考数据对局部定位数据进行纠偏，即将全局定位方式得到的全局定位数据作为上一时刻的位置坐标，与此时刻电机转动量进行比较得到局部行走距离)，并根据最终位置坐标与全局路径信息中的下一路径点进行比较获知全向移动平台在全局路径中的位置，若判断出全向移动平台未到达临界位置，则向uMac控制器5发送期望速度控制指令(按照预设大小的速度值按照所述全局路径信息中的坐标点行走)，否则向uMac控制器5发送期望位置控制指令(按照临界位置与目的点间的位移矢量行走)，所述临界位置表示剩余位移，为预设阈值。
全向移动平台的车架上还安装有安全扫描仪3，用于所述在全向移动平台行驶的整个过程中向工控机发送扫描数据，使工控机实时进行安全避障。
所述全向移动平台自主导航系统还包括安装在全向移动平台车架7上的工控机控制柜2，所述工控机安装在所述工控机控制柜2内，工控机控制柜上还可以安装显示屏等设备。
可以看出，本发明的系统工作流程中，在自主导航模式启动后，接收到路径点，导航算法判断路径有效并计算平台在路径中的位置。收到启动指令后，导航算法依靠平台当前位置与路径点间的相对关系，计算平台速度控制量，并发送到uMac控制器控制电机转动，实现平台移动。接近目标点后，为保证定位精度，导航算法实行位置控制模式，向uMac控制器发送平台位移控制指令。行驶到目标点后，若定位精度满足误差要求，则自主导航结束，等候下一次导航任务。其中基于iGPS接收机与电机编码数据融合进行组合定位，能适应光照、温度、振动等环境因素影响，具有很强的环境适应性，具备定位精度高，实时性好等优点。现场中控台能随时控制平台行驶状态，因此本发明具备行走路径灵活的优点。全向移动平台由于安装了麦克纳姆轮组，能向任意方向的运动，能适应小范围场地的移动。系统还配备有安全扫描仪，保证行走时平台能安全避障。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于iGPS的全向移动平台自主导航系统，其特征在于，包括全向移动平台、iGPS接收机、工控机、uMac控制器、伺服电机；
所述iGPS接收机为多个，安装在全向移动平台的车架上，用于获取全向移动平台的位置坐标，并发送给工控机；
所述伺服电机包括电机本体、驱动器和编码器，所述驱动器安装在全向移动平台的车架上，所述电机本体和编码器安装在全向移动平台的各个轮组上，所述伺服电机用于测量电机本体转动量作为编码反馈信息发送给工控机；
所述工控机用于接收全局路径信息，并结合iGPS接收机发送的位置坐标信息以及伺服电机发送的编码反馈信息解算全向移动平台在全局路径中的位置，并向uMac控制器发送相应的控制指令；
所述uMac控制器用于根据接收到的控制指令控制伺服电机转动实现全向移动平台的自主行驶；所述工控机具体用于每隔第一周期接收4个iGPS接收机的位置坐标，并解算全向移动平台的位置与航向，实现全局定位；间隔第二周期接收4个伺服电机的编码反馈计算全向移动平台局部行走距离，作为全向移动平台移动位置增量实现局部定位；并将全局定位数据与局部定位数据融合作为全向移动平台最终位置坐标，并根据最终位置坐标与全局路径信息中的下一路径点进行比较获知全向移动平台在全局路径中的位置，若判断出全向移动平台未到达临界位置，则向uMac控制器发送期望速度控制指令，否则向uMac控制器发送期望位置控制指令，所述临界位置表示剩余位移，为预设阈值。
2.如权利要求1所述的基于iGPS的全向移动平台自主导航系统，其特征在于，全向移动平台的车架上还安装有安全扫描仪，用于所述在全向移动平台行驶的整个过程中向工控机发送扫描数据，使工控机实时进行安全避障。
3.如权利要求1所述的基于iGPS的全向移动平台自主导航系统，其特征在于，所述全向移动平台上安装有4个麦克纳姆轮轮组，用于实现全向移动平台的前进、后退、横移、旋转以及其它复合运动。
4.如权利要求1～3中任一项所述的基于iGPS的全向移动平台自主导航系统，其特征在于，所述全向移动平台自主导航系统还包括安装在全向移动平台车架上的工控机控制柜，所述工控机安装在所述工控机控制柜内。
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基于地图匹配的高精度GPS自主车辆导航系统的实现;唐李征 等;《测控技术》;19990731;第18卷(第7期);全文 *

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