本发明属于一种机器人的定位技术领域， 尤其涉及一种移动机器人的定位 系统与定位方法。

背景技术

在移动机器人的应用中， 导航是指移动机器人通过传感器感知环境和自 身 状态， 实现在有障碍物的环境中面向目标自主运动。 导航的成功需要有四个模 块： 感知， 定位， 认知， 运动控制。 其中， 定位是移动机器人导航最基本的环 节， 所谓定位就是确定机器人在环境中的实时位姿 。 当前应用较多的定位技术 有： 视觉导航定位、 全球定位系统（GPS, Global Positioning System ), 差分 GPS 定位、 超声波定位等。 其中， 视觉导航定位方式的图像处理计算量大， 计算速 度要求高， 因而实时性差， 此外， 该种定位方式受外界环境的影响较大， 因此 不太适用于户外移动机器人的定位系统。 全球定位系统是由美国国防部控制的， 对非美国国防部授权的用户， 其所能获得的定位导航精度较低， 因此不适于定 位精度较高的场合。 差分 GPS定位， 是指用户 GPS接收机附近设置一个已知精 度坐标的差分基准站， 基准站的接收机连续接收 GPS导航信号， 将测得的位置 或距离数据与已知的位置、 距离数据进行比较， 确定误差， 得出准确改正值， 然后将这些改正数据通过数据链发播给覆盖区 域内的用户， 用以改正用户的定 位结果， 这种定位方法虽然定位精度高， 但成本也很高。 对于超声波定位方式， 由于超声波在空气中衰减很大， 因此只适用空间范围较小的场合。 针对上述各 种定位技术存在的缺陷， 有必要提出一种改进的移动机器人定位系统以 解决上 述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种移动机器人通过角 度对比来实现定位的定位系 统与定位方法。

为了实现上述目的， 本发明采用如下技术方案： 一种移动机器人的定位系 统， 该定位系统设于一坐标系内， 且该定位系统包括若干已知坐标值的反光件、 安装于机器人上可 360。旋转的转台、 激光器、 角度编码器及中央处理单元， 所 述激光器与角度编码器安装于所述转台上； 所述相邻反光仵之间的连线包围形 成机器人的工作区域； 所述激光器具有发射部与接收部， 该发射部发出激光发 射线至所述反光件后经反射形成的激光反射线 被所述接收部接收， 且所述反光 件具备使该激光反射线平行于激光发射线的光 线直反功能； 所述角度编码器用 于测得机器人的机头朝向线与所述激光反射线 之间的第一角度； 所述中央处理 单元包括图形处理程序， 该图形处理程序对所述工作区域进行栅格化并 得出各 交叉点的坐标值， 中央处理单元计算出每一交叉点连接各个反光 件所形成的各 条连接线之间的多个第二角度， 该多个第二角度组成与每一交叉点对应的第二 角度组， 然后将每一第二角度组存储起来； 机器人在所述工作区域内移动时， 所述接收部可同时接收到从多个反光件反射回 来的激光反射线， 所述角度编码 器可对应测得多个所述第一角度， 中央处理单元对这些第一角度进行运算处理 以获得各条激光反射线之间的一个第三角度组 ， 然后将所述第三角度与所述第 二角度进行对比以获得机器人在所述坐标系内 的位置。。

优选的， 当所述第三角度组与存储的一个第二角度组中 有至少两个连续相 等的角度值时， 机器人的坐标值即为该第二角度组对应的交叉 点的坐标值。。

优选的， 当所述第三角度组与存储的任意一个第二角度 组中仅有一个相等 的角度值或没有相等的角度值时， 中央处理单元将寻找到与该第三角度组的各 角度值最接近的另一个第二角度组， 机器人在所述坐标系内的位置最接近该另 一个第二角度组所对应的交叉点。

优选的， 所述第二角度为所述各条连接线中相邻两条连 接线之间的角度， 所述第三角度为所述各激光反射线中相邻两条 激光反射线之间的角度。

优选的， 所述第二角度为其中一条连接线与其他各条连 接线之间的角度， 所述第三角度为其中一条激光反射线与其他各 条激光反射线之间的角度。

优选的， 所述移动机器人为割草机器人。

优选的， 所述定位系统还包括设于机器人上的电子罗盘 。

为了实现上述目的， 本发明还可以采用如下技术方案： 一种移动机器人的 定位方法， 该机器人上安装有可 360。旋转的转台、 具有发射部与接收部的激光 器、 角度编码器以及中央处理单元， 所述激光器与角度编码器设于所述转台上， 所述定位方法包括如下步骤： 1 )将多个已知坐标值的反光件设置于机器人所� �坐标系内；

2 )所述中央处理单元的图形处理程序对这些反� �件的连线包围所形成的工作区 域进行栅格化并得出各交叉点的坐标值；

3 )所述中央处理单元计算出每一交叉点连接各� �反光件所形成的各条连接线之 间的多个第二角度， 多个第二角度组成与每一交叉点对应的第二角 度组， 然后 将每一第二角度组存储起来；

4 )机器人在所述工作区域内移动时， 所述发射部发出激光发射线至所述反光件 后经反射形成的激光反射线被所述接收部接收 ， 所述反光件具备使该激光反射 线平行于激光发射线的光线直反功能， 且所述接收部可同时接收到从多个反光 件反射回来的多条激光反射线， 所述角度编码器对应测得机器人的机头朝向线 与所述多条激光反射线之间的多个第一角度；

5 ) 中央处理单元对这些第一角度进行运算处理以 获得各条激光反射线之间的一 个第三角度组；

6 ) 中央处理单元将所述第三角度组与所述第二角 度组进行对比以获得机器人在 所述坐标系内的位置。

优选的， 当中央处理单元在存储的各个第二角度组中查 找到一个第二角度 组， 且该第二角度组与所述第三角度组有至少两个 连续相等的角度值时， 中央 处理单元就判断机器人所在位置为该第二角度 组所对应的所述交叉点的位置。

优选的， 当中央处理单元未查找到与所述第三角度具有 相等角度值的第二 角度组时， 中央处理单元判断机器人所在位置的步骤如下 ：

1 )将所述第三角度组与存储的每一第二角度组� �的各个角度值对应相减， 并得 出数量与第二角度组的数量相等的一系列第四 角度组；

2 )将该一系列第四角度组中的各个角度值对应� �比并选出具有最小绝对值的第 四角度组；

3 )从选出的第四角度组中选出具有所述最小绝� �值最多的第四角度组， 从而获 得与该第四角度组相对应的第二角度组；

4 ) 中央处理单元判断机器人所在位置最靠近步骤 3中的第二角度组所对应的所 述交叉点的位置。

优选的， 当中央处理单元从存储的各个第二角度组中查 找到多个第二角度 组， 且该多个第二角度组与所迷第三角度组仅 ^一个相等的周度值时， 中夬处 理单元判断机器人所在位置的步骤如下：

1 )将所述多个第二角度组从存储的各个第二角� �组 选出来；

2 )将所述第三角度组与该多个第二角度组内的� �个角度值对应相减， 并得出多 个第五角度组；

3 )将该多个第五角度组中的各个角度值对应相� �并选出具有最小绝对值的第五 角度组；

4 )从选出的第五角度组中选出具有所述最小绝� �值最多的第五角度组， 从而获 得与该第五角度组相对应的第二角度组；

5 )中央处理单元判断机器人所在位置最靠近步� � 4中的第二角度组所对应的所 述交叉点的位置。

优选的， 当机器人按照中央处理单元设定的指定线路移 动时， 中央处理单 元按一定频率对所述第二、 第三角度组进行角度对比， 所述机器人按一定速度 沿所述指定线路移动， 中央处理单元判断机器人所在位置的步骤如下 ：

1 )存储中央处理单元在前一次进行角度对比时� �器人在所述坐标系内的前一时 刻位置；

2 )以前一时刻位置为圓心， 所述频率与速度的乘积为半径所形成的圆确定 为角 度对比的范围；

3 )选出位于该圓内或圓上的多个交叉点；

4 )将所述第三角度组与该多个交叉点所对应的� �个第二角度组对比以获得机器 人在所述坐标系内的位置。

优选的， 机器人上安装有可测得其航行方向的电子罗盘 ， 中央处理器在所 述多个交叉点中选出位于机器人航行方向上的 一部分交叉点， 然后将所述第三 角度组与该一部分交叉点所对应的一部分第二 角度组对比以获得机器人所在坐 才示系内的位置。

与现有技术相比， 本发明定位方法通过角度对比来实现机器人定 位， 无需 过于复杂的计算程序， 因此不但可实现快速定位， 而且成本低廉。

附图说明

图 1是本发明定位系统中移动机器人的部分结构� �意图。 图 2是本发明定位系统中移动机器人的机头朝向� �与激光反射线的示意图， 其中显示了第一角度与第二角度。

图 3 是本发明定位系统中工作区域被栅格化后的示 意图， 其中显示一交叉 点所对应的所有第三角度。

图 4是本发明定位系统中接收部接收多条激光反� �线时的示意图， 其中显 示多个第一角度。

图 5是本发明定位系统中接收部接收多条激光反� �线时的示意图， 其中对 图 4 中的多个第一角度进行运算所得出相邻两条激 光反射线之间的多个第二角 度。

图 6是本发明定位系统中工作区域被栅格化后的� �意图， 其中显示移动机 器人位于任意一位置时所测得的所有第二角度 。

图 7是本发明定位系统中移动机器人位于任一位� �时测得两个连缘的第三 角度时的示意图。

图 8是本发明定位系统中工作区域被栅格化后的� �意图， 其中移动机器人 沿指定直线移动。

具体实施方式

参图 1与图 2所示， 本发明提供了一种移动机器人定位系统， 该定位系统 位于一平面坐标系内， 且包括若干已知坐标值的反光件 M、 安装于该转台 T上 的激光器 J和角度编码器 B以及中央处理单元（未图示）。 在本实施方式中， 所 述移动机器人 R为一割草机器人， 该割草机器人在草坪上工作， 因此整个草坪 为所述坐标系所在平面。 此外， 本实施方式中共设置 10个反光件， 分别为 Ml、 M2... ... M10, 这些反光件为插设于草坪上的具有光线直反功 能的杆状路标。

参图 1与图 2所示， 所述转台 T可相对机器人 R机身进行 360。旋转运动， 该转台 T上安装有激光器 J， 该激光器 J具有发射部 J1与接收部 J2。 所述发射 部 J1向外发出激光发射线， 由于转台 T作旋转运动， 因此所述激光器 J也随转 台 T一起进行 360°旋转， 当该激光发射线照射至所述反光件 M上后会被该反光 件反射而形成激光反射线 Ll。 由于所述反光件 M具备光线直反功能， 此处所谓 的光线直反是指反射光与入射光是平行的且两 者之间间隔甚小而可被忽略， 因 此所述激光反射线 L1将大致沿所述激光发射线原路返回至机器人 R， 返回的激 无夂射线 L1将衩所迷接收邵 J2接收。

参图 1与图 2所示， 所述转台 T上还设有角度编码器 B, 该角度编码器 B 是用来测得机器人 R的机头朝向线 L2与所述激光反射线 L1之间的第一角度 α, 该第一角度 α的大小是指机器人 R的机头朝向线 L2沿指定方向旋转至所述接收 部 J2接收到所述激光反射线 L1 所转过的角度， 在本实施方式中规定该指定方 向为顺时针方向。 此外， 由于转台 Τ的转速很快， 因此在同一时刻， 发射部 J 1 可同时照射到多个连续的反光件， 接收部 J2则可收到多条激光反射线 L1 , 从而 角度编码器 Β可同时测得多个第一角度 α, 中央处理单元可对多个第一角度 α 进行运算处理并获得相邻两条激光放射线 L1之间的第三角度 β。

参图 1至图 3所示， 本发明还提供一种移动机器人 R的定位方法， 包括如 下步骤：

1 )将多个已知坐标值的反光件 Μ设置于机器人 R所在坐标系内；

2 )所述中央处理单元的图形处理程序对这些反� �件 Μ的连线包围所形成的工作 区域进行栅格化并得出各交叉点的坐标值；

3 )所述中央处理单元计算出每一交叉点连接各� �反光件 Μ所形成的各条连接线 L3之间的多个第二角度 Θ, 多个第二角度 Θ组成与每一交叉点对应的第二角度 组， 然后将每一第二角度组存储起来；

4 )机器人 R在所述工作区域内移动时， 所述接收部 J2可同时接收到从多个反 光件 Μ反射回来的多条激光反射线 L1 ,所述角度编码器 Β对应测得多个所述第 一角度 α;

5 ) 中央处理单元对这些第一角度 α进行运算处理已获得各条激光反射线 L 1之 间的一个第三角度组；

6 ) 中央处理单元将所述第三角度组与所述第二角 度组进行对比以获得机器人在 所述坐标系内的位置。

以下将主要描述如何获得机器人 R在坐标系内的位置的。 图 3中的草坪上 的工作区域已被栅格化， 栅格的边长越小， 精度越高， 因此可以根据需要设定 合适的精度。 工作区域被栅格化的同时可得出各交叉点的坐 标值， 现已其中一 个交叉点 Α为例， 由于各反光件的坐标值均已知， 因此相邻两个反光件与交叉 点 A的两条连接线 L3之间的第二角度 Θ可通过计算得出， 本实施方式中共有 ΐυ个反元 1千 Ml、 M2 M10, 因此共有 10个第二角度 θ,、 θ ₂ θ ₁₀ , 这 10 个第二角度组成与交叉点 Α对应的一个第二角度组， 从而交叉点 A可以由这一 个第二角度组表示为 Α ( θ,、 θ ₂ ...... θ 通过同样的方式可获得其他交叉点所 对应的各个第二角度组。 待程序计算完毕后， 中央处理单元将每一交叉点所对 应的每一个第二角度组置于存储单元内。 以上步骤结束后， 机器人 R开始工作， 结合图 4与图 5所示， 机器人 R在所述工作区域内移动时， 所述激光器 J的发 射部 J1时刻向外发出激光发射线，由于接收部 J2在同一时刻可收到多条激光反 射线 L1 , 在此以接收部 J2可接收到反光件 M1〜M5反射回来的 5条激光放射线 L1为例，此时角度编码器 B可同时获得与之对应的 5个第一角度 01,、 α ₂ 、 α ₃ 、 α ₄ α ₅ 。所述中央处理单元对这些第一角度进行 运算处理可计算出相邻两条激光反射 线 L1之间的四个第三角度， 大小分别为 ο^-α a _r a ₂ 、 α ₄ -α ₃ 、 α ₅ -α ₄ 。

参图 3与图 6所示， 通过上述分析可知， 当接收部 J2可同时接收到从所有 反光件 Ml、 M2 ··. ..· M10上反射回来的激光反射线 L1时， 中央处理单元则可同 时运算获得与所述交叉点的一组第二角度相对 应的 10个第三角度 β,、β ₂ ... ... β,ο, 这 10个第三角度组成与机器人 R实时位置相对应的一个第三角度组，从而机� � 人 R的实时位置可由所测得的这一个第三角度组� �示为 R ( β,、 β ₂ ... ... β ₁₀ )。 中 央处理单元通过将实时测得的一个第三角度组 与存储单元内的第二角度组进行 对比来获得机器人 R当前在坐标系内的位置。

以下具体描述中央处理单元如何将所述第三角 度 β与第二角度 Θ对比而获 得机器人 R的当前位置的。当中央处理单元运算获得一� �第三角度组 β,、 β ₂ ... ... β _κι 后， 该第三角度组与存储的每个第二角度组相比大 致有以下几种情形： 1 )该 第三角度组与存储单元内的一个第二角度组至 少有两个连续相等的角度值； 2 ) 该第三角度组与存储单元内的任意一个第二角 度组均没有相等的角度值； 3 )该 第三角度组与存储单元内的多个第二角度组只 有一个相等的角度值。

对于情形 1， 参图 7所示， 假设测得的第三角度组 β,、 β ₂ ... ... 。中的两个 连续的第三角度 β,、 β ₂ 与存储单元中一个第二角度组 θ,、 θ ₂ ...... θ _κ) 中对应的两 个连续的第二角度 θ,、 θ ₂ 相等， 对于已知反光件 Ml、 Μ2、 Μ3的坐标值以及夹 角 β,、 β ₂ 的两个三角形 ΔΜ1Μ2Ι 和 A M2M3R, 即可运算得出唯一的机器人所 在点 R的坐标值， 因此在该情形下，机器人 R当前的位置即为该第二角度组 θ,、 ϋ ₂ Η,ο ^ί^Γ ^的叉又点的位置， 机^人 R当 I 的坐标值即为该交叉点的坐标 值， 而其他角度值互不相等主要是因误差而引起。

对于情形 2, 参图 3与图 6所示， 中央处理器将存储单元中每一个第二角度 组里的角度值与所测得的第三角度组 β,、 β ₂ ...... ₁₍₎ 里的角度值对应相减， 以交 叉点 Α为例， 相减后得出一个第四角度组 θ,-β, , θ ₂ -β ₂ ...... θκ,-β,ο, 假设共有 η 个交叉点， 则共有 η个第四角度组， 中央处理单元将这 η个第四角度组中的各 个角度值对应相比并选出具有最小绝对值的第 四角度组， 从选出的第四角度组 中再选出具有所述最小绝对值最多的第四角度 组， 从而获得与该第四角度组'相 对应的第二角度组， 该第二角度组所对应的所述交叉点的位置就是 机器人 R在 坐标系内最接近的位置。

对于情形 3, 假设存储单元中共有 m个第二角度组有与所测得的第三角度 组仅有一个相同的角度值， 中央处理单元首先将这 m个第二角度组筛选出来， 然后运用情形 2 中相同的判断方式来确定机器人当前的位置， 即通过角度相减 将得出 m个第五角度组， 中央处理单元将这 m个第五角度组中的各个角度值对 应相比并选出具有最小绝对值的第五角度组， 从选出的第五角度组中再选出具 有所述最小绝对值最多的第五角度组， 从而获得与该第五角度组相对应的第二 角度组， 该第二角度组所对应的所述交叉点的位置就是 机器人 R在坐标系内最 接近的位置。 '' 通过对以上 3 中情形的描述可知， 发生情形 1 时， 中央处理单元判断并得 出机器人位置的时间最短； 发生情形 2 时， 由于需要对每一交叉点进行对比， 因此判断时间最长； 情形 3无需对比所有交叉点， 因此判断时间小于情形 2。 在 实际测量过程中， 尤其是栅格精度越小即栅格边长越长时， 发生情形 1 的可能 性就越小， 而发生情形 2和情形 3的可能性最大。 尽管发生情形 2和情形 3的 可能性大， 中央处理单元也无需每次都将测得的第三角度 组与所述 n个或 m个 第二角度组进行对比， 因为在通常情况下， 机器人 R是按指定线路移动的， 如 图 8所示， 机器人沿直线 L4移动。 假设机器人移动速度为 0.3米 /秒， 中央处理 器进行角度对比的频率为 1次 /秒， 栅格边长为 0.1米， 机器人 R前一秒的位置 为直线上的 C点， 根据机器人 R的移动速度可以认为机器人 R当前的位置一定 在以 C点为圆心， 0.3米为半径的圓内或圓上， 此时中央处理单元只需将位于该 圓内及圓上的交叉点所对应的若干第二角度组 与所测得的第三角度组进行对 比， 对比方法则与以上所描述三种情形相同。 如此， 中央处理单元只需对几个 交叉点进行对比即可， 从而可实现快速定位。 中央处理单元需对比的交叉点还 可以进一步减少， 如增加电子罗盘， 当测得机器人航行方向时， 只需对比在航 行方向上的交叉点， 而未在航行方向上的就无需再作对比了。 真正需要将测得 的第三角度组与所述 n个或 m个第二角度组进行对比的情况仅发生在机器� � R 的前一秒位置未知的情形， 如操作员将机器人 R搬至另一位置， 使其重新开始 工作。

本发明定位系统与定位方法通过角度对比来实 现机器人定位， 从而无需编 写过于复杂的计算处理程序， 因此具有简化程序和降低成本的功效； 此外， 由 于实际运作过程中， 中央处理单元仅需对比较小范围内的交叉点， 因此可实现 机器人的快速定位。 描述， 本发明定位系统与定位方法还有其他实施方式 ， 如在以上实施方式中所 述的第二角度 Θ为所述各条连接线 L3中相邻两条连接线之间的角度， 所述第三 角度 β为所述各激光反射线 L1中相邻两条激光反射线之间的角度。 第二角度也 可以是其中一条连接线与其他各条连接线之间 的角度， 第三角度也可以是其中 一条激光反射线与其他各条激光反射线之间的 角度， 角度对比方法相同， 同样 可实现机器人定位。 因此， 只要是在本发明设计理念指导下采用等同或等 效变 换方式所获得的技术方案都应在本发明的保护 范围之内。