[发明专利]基于GPS与超声波的室外机器人定位系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于GPS与超声波的室外机器人定位系统及方法，属于室外机器人定位技术领域。所述室外机器人定位系统，包括GPS定位系统、超声波定位系统和机器人导航系统；所述机器人导航系统安装在机器人本体上，包括GPS天线、GPS处理模块、超声波发射模块、超声波定位处理模块和和综合定位芯片。本发明采用GPS与超声波进行复合的算法，可以进一步提高室外定位精度，精度优于0.1米；同时可以有效扩大超声波定位的覆盖范围，解决超声波阵列定位的多值性问题。

技术领域

本发明涉及一种基于GPS与超声波的室外机器人定位系统及方法，属于室外机器人定位技术领域。

背景技术

在电力系统中，安排定期巡视任务，对变电站设施仪表进行抄读与高压电气设备惯例检查是一项重要任务。目前，变电站巡检工作仍然是一件十分艰巨的工作。传统变电站的人工巡检的方式依旧被国内大多数变电站采用，但巡视人员的诸多因素会直接影响巡检的可靠性，比如巡检人员的工作经验、业务能力、责任心和精神状况等；从效率上来讲，特别是对地区稍偏远的变电站巡检，浪费在路上的人力和时间成本也不容忽视；再者涉及安全性，由于高压设备非常多，巡检人员在变电站穿梭其潜在的危险性也十分具大；同时从管理调度来看，当变电站突发故障，对于偏僻地方少人值守甚至无人值守的变电站，其问题反应的能力弱，应急能力差，远程指挥与调度的难度也非常大。因此，从变电站巡检的可靠性、高效性、安全性及操控性考虑，巡检机器人代替工作人员对变电站实行自动巡检在一定程度上成为一种发展趋势，而准确定位是机器人可靠巡检的基本条件。

移动机器人的定位功能是其导航的多个领域中最重要的一项功能，也是完成机器人导航任务最基本的环节。定位的准确性和可靠性直接决定了移动机器人能否正确完成导航功能。定位机器人常用传感器分为内部传感器和外部传感器。外部传感器需要采集外界信息，外界环境通常随着机器人的运动发生变化，而且外界环境具有随机性、突发性，这对传感器数据的准确性、真实性产生影响，常见的外部传感器有视觉传感器、超声波传感器、温度传感器、激光雷达传感器等。内部传感器安装在机器人上，不与外界信息发生交互，常见的内部传感器有加速度计、光电编码器、陀螺仪等惯性传感器，内部传感器能在短时间内提供准确的信息，实现较高的定位精度。移动机器人的定位是机器人依靠自身的传感器或与外界传感器的信息交互感知自身和周围环境信息，对传感器采集到的数据进行融合处理转换并通过一定的定位算法得到自身位姿的过程。移动机器人的定位根据参照的不同一般分为绝对定位和相对定位，机器人绝对定位的参照坐标为地球坐标系，而相对定位的参照坐标为运行环境，一般研究时将其运行环境坐标系与世界坐标系等价或固连。两种情况下，移动机器人相对于其运行环境的相互位置关系都必须确定，这也是定位技术的研究对象。目前最常用的室外定位方式为全球卫星定位系统(GPS)，但是GPS的定位精度较差，对于需要实时得到定位导航信息以及对定位导航系统可靠性要求比较高的系统来说，单独使用GPS是无法满足要求的。机器人定位研究领域主要针对室内机器人相对定位的研究，目前室内化器人常用的定位方式有以下几种：

视觉定位：目前基于视觉的机器人定位技术主要有单目视觉定位、双目视觉定位和全景视觉定位。视觉定位技术主要涉及摄像机标定、图像处理中信号滤波、图像灰度处理、特征提取、直线拟合等技术的研究。北京邮电大学的王轩基于双目视觉定位原理，进行了球形移动机器人的视觉定位研究。哈尔滨工业大学的厉茂海、蔡则苏等人使用基于随机抽样一致的定位算法实现移动机器人单目视觉全局定位。RoboCup机器人领域多用全景视觉定位技术完成机器人在足球场地的定位。还有基于路标的定位：中南大学的刘佳进行了基于路禄的移动机器人视觉定位研究，使用可分离Laplacian算子进行边缘检测实现复杂环境下的机器人定位。但是视觉定位系统算法复杂、成本高、体积大。