[发明专利]一种融合多传感器的变电站巡检机器人定位导航系统

权利要求书

1.一种融合多传感器的变电站巡检机器人定位导航系统，其特征在于：配置有集成IMU的深度相机、二维激光雷达、麦克风、超声波雷达、轮式编码器、惯性传感器、电压传感器、防跌落传感器、防碰撞传感器、工控机、底层驱动电机及其电机驱动器，所述二维激光雷达和集成IMU的深度相机安装在机器人正前方，所述惯性传感器安装在机器人质心处，所述麦克风安装在机器人正前方，所述电压传感器安装在机器人内部，所述超声波雷达有两个对称并排安装在机器人正后方，所述防跌落传感器和防碰撞传感器有两组分别安装在机器人前后方；其中，所述系统区分有以下九个功能模块：

定位模块，使用集成IMU的深度相机、轮式编码器、惯性传感器和二维激光雷达的数据，通过视觉里程计算法、航迹推演算法和二维激光雷达帧间匹配算法得到机器人的位姿信息，将各个算法得到的不准确的初始位姿输入无迹卡尔曼算法得到最终准确的机器人位姿信息；

避障模块，使用集成IMU的深度相机、二维激光雷达数据和机器人后方的超声波雷达数据，对得到的深度图和超声波雷达数据进行重新建模，转换成二维激光雷达数据格式和二维激光雷达数据一起输入进入地图管理模块，作为动态障碍物信息；

地图管理模块，包含静态栅格地图和动态栅格地图两种地图，静态栅格地图为变电站巡检机器人的先验信息，为已经建立完成不会更改的地图及障碍物信息，动态栅格地图包括有避障模块传递的传感器实时动态的障碍物信息；

语音控制模块，通过麦克风获取语音信息，输入至语音解析算法中，解析语音命令后将任务传递至任务调度模块；

电量监测模块，通过电压传感器实时获取变电站巡检机器人电池的电量信息，在电量将要耗尽前传递充电任务到任务调度模块；

任务调度模块，根据语音控制模块、电量监测模块及人为给定的巡检目标对任务进行优先级排序，然后根据优先级陆续将任务分发至导航模块；

导航模块，使用任务调度模块传递来的导航目标信息，根据地图管理模块传递来的静态栅格地图进行全局路径规划，根据地图管理模块传递来的动态栅格地图信息进行局部路径规划，即动态避障，将控制信息输入底层控制模块；

底层控制模块，通过导航模块传递来的控制指令，控制机器人运动，并将轮式编码器信息反馈至定位模块；

安全保障模块，通过前后方防跌落传感器和防碰撞传感器的信息对底层控制模块功能进行开启和关闭，即当有跌落危险或者机器人已经发生碰撞时对底层驱动电机进行锁死，防止机器人进一步运动产生自身或它身破坏性行为。

2.根据权利要求1所述的一种融合多传感器的变电站巡检机器人定位导航系统，其特征在于，在定位模块中，使用无迹卡尔曼滤波算法对多个算法得到的位姿进行融合，步骤如下：

1)首先使用深度相机获得单目彩色相机数据和IMU数据，输入视觉里程计中，由视觉里程计算法处理后得到一个机器人位姿，记为pose_vio；

2)使用位于机器人质心处的惯性传感器数据和二维激光雷达传感器数据，输入激光雷达里程计算法，由激光雷达里程计算法得到第二个机器人位姿，记为pose_laser；

3)使用电机驱动器中的轮式编码器数据，将数据输入进入航迹推演算法，由航迹推演算法计算得到机器人第三个位姿，记为pose_odom；

4)使用刚刚得到的三个机器人位姿：pose_vio、pose_laser、pose_odom，将位姿数据输入无迹卡尔曼算法进行位姿融合，其中，无迹卡尔曼算法输入为三个确定性低的机器人位姿，输出为可靠性高的融合后的机器人位姿，最终得到可靠性高的机器人位姿，记为robot_pose，最后将融合的位姿传递给导航模块使用。