[发明专利]基于RTK北斗和激光雷达的巡检机器人导航系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种导航系统，尤其是涉及一种基于RTK北斗和激光雷达的巡检机器人导航系统。

背景技术

移动巡检机器人可以节约大量人力，尤其是可以运用在不适宜人工巡检的危险场合，比如超高压巡检机器人和输油管线巡检机器人。发展移动巡检机器人和人工巡检相结合的方式势必是未来发展的一种趋势。

传统移动机器人较多采用磁轨道、无线射频识别技术RFID或固定导轨进行定位和导航。20世纪90年代，日本研发一款有轨巡检机器人，应用于500kV变电站。2014年1月，浙江国自机器人技术有限公司研制的变电站巡检机器人在瑞安变电站投入运行，采用的是多个声纳和激光测距传感器的导航方式。2015年常熟理工学院研究的一款校园巡检机器人采用定位、导航方式是普通的GPS和摄像头相结合的方案。2016年中信重工开诚智能装备有限公司生产了一款轨道式巡检机器人，文献中主要介绍了轨道式巡检机器人的轨道硬件组成、数据采集系统方案和电源管理方案。中国专利CN103064416B公开一种巡检机器人室内外自主导航系统，包括行走控制单元、行走决策单元和功能任务单元，维护较为简单。大多数参考文献并未涉及到系统的构建和巡检路线上遇到突发障碍情况的避障方式。而且，虽然各地研发的移动机器人基本上能满足常规巡检需求，但存在环境干扰大、抗干扰能力弱、定位精度低且机器人灵活性较差等缺点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于RTK北斗和激光雷达的巡检机器人导航系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于RTK北斗和激光雷达的巡检机器人导航系统，包括采用无线路由组网通信的机器人移动站和后台管理服务器，所述机器人移动站包括机器人机体以及设置于机器人机体上的控制模块、定位导航模块、无线通信模块和电源管理模块，所述控制模块分别连接定位导航模块、无线通信模块和电源管理模块，所述定位导航模块包括激光雷达和RTK/SINS单元。

进一步地，所述控制模块包括通过串口通信连接的工控机和Cortex-M3内核控制芯片，所述工控机分别连接激光雷达和RTK/SINS单元，所述Cortex-M3内核控制芯片连接无线通信模块。

进一步地，所述无线通信模块为2.4G无线遥控模块。

进一步地，所述RTK/SINS单元包括定位天线和测向天线，所述定位天线和测向天线间的距离大于1m。

进一步地，所述激光雷达安装于机器人机体最前方，且离地面高度为20cm～30cm。

进一步地，还包括用于机器人移动站的无线遥控器，与所述无线通信模块连接。

进一步地，所述定位导航模块还包括超声波单元。

本发明还提供一种利用所述的巡检机器人导航系统实现全局和局部结合导航的方法，该方法通过构建的全局地图与局部地图相结合的导航地图实现导航，具体为：

获取RTK/SINS单元的输出数据，进行卡尔曼滤波，融合输出所述机器人移动站的状态参数，基于该状态参数和全局地图采用预瞄PID控制策略实现全局导航控制；根据RTK/SINS单元输出的惯导数据、激光雷达采集的数据以及局部地图，采用人工势场法实现局部避障控制，并实时更新局部地图。

进一步地，所述全局地图的构建具体为：

机器人移动站接收遥控指令，沿待巡检指定轨道运行，RTK/SINS单元实时记录路径定位数据，形成全局地图。

进一步地，所述局部地图的构建具体为：

获取激光雷达数据，对该激光雷达数据进行中值滤波，获得障碍物离散数据点，设定一最短距离作为聚类的阈值距离，根据该阈值距离对所述障碍物离散数据点进行聚类，获得多个簇，对各个簇进行曲线拟合，得到障碍物边缘离散点，形成局部地图；

进行聚类时，删除数据点数目小于设定的聚类数目阈值的簇。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用RTK/SINS单元进行导航，采用了高精度差分北斗定位模块，解决了使用GPS等其他定位设备的市场限制和安全隐患。

2、本发明RTK北斗定位设备集成高精度惯导模块，经卡尔曼滤波后融合输出，两者相互配合，实现优势互补，解决了因信号遮挡而造成的定位失败问题，保证定位可靠性和姿态角的精度值，实现精确定点定向巡检任务。

3、发明采用RTK/SINS单元和激光雷达构建全局和局部相结合的导航地图，导航地图精度高。