[发明专利]一种室内室外巡检机器人综合系统及巡检机器人导航方法

说明书

一种室内室外巡检机器人综合系统及巡检机器人导航方法，室内室外巡检机器人综合系统包含机器人大脑、机器人主体、双目摄像头、惯导、激光雷达、红外激光发射器、红外激光测距仪、无线网卡、信号中继装置、4G信号接收器、服务器终端组成；机器人大脑能够通过无线网卡、信号中继装置与服务器终端进行数通讯，也能够通过4G信号接收器与服务器终端进行数据通讯；双目摄像头固定在机器人主体顶端，红外激光发射器固定在双目摄像头两个镜头中间；双目摄像头、惯导、激光雷达、红外激光发射器、红外激光测距仪均与机器人大脑进行信息传输。本发明能够使巡检机器人在室内室外与服务器终端进行有效通讯，完成精确导航，构建高精度的特征点地图。

技术领域

本发明涉及巡检机器人领域，尤其涉及一种室内室外巡检机器人综合系统及巡检机器人导航方法。

背景技术

随着科学技术的进步，巡检机器人在工业、民用、军事等多个领域的应用越来越广泛。在很多情况下，巡检机器人的作业空间的信息是未知、动态复杂的。巡检机器人想要实现在室内室外自主导航、需要有一套综合系统，保障其定位、导航、目标识别以及和终端的实时通讯。

如今移动机器人导航方法主要电磁导航、惯性导航、UWB导航和GPS卫星导航四种方法。电磁导航是20世纪50年代美国开发的, 到20世纪70年代这种导航方式迅速发展并广泛用于柔性制造系统中。电磁导航是较为传统的导航方式之一，需要在机器人行驶的路径上铺设金属线，并在金属性上加载导引频率，通过识别导引频率来实现机器人的导引。但是系统定位误差大，并且要在地面铺设磁条，从而导致机器人灵活性差，维护成本也比较高。惯性导航是一种不要依赖任何外部信息的航迹推算导航方法。机器人主要利用电子罗盘、加速度计或陀螺仪等传感器来测量自身的加速度和方位角，从而推算下一点的位置。同时陀螺仪只能直接测量角速度，要想获得机器人的航向信息，必须经过积分运算，从而造成常量偏差会对陀螺仪的影响比较大。初次之外，当机器人沿着重复轨迹进行工作时，误差会不断累计。UWB (Ultra Wideband) 是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。但是作为伪卫星定位方法的一种，UWB在复杂动态环境下定位效果不是很理想，并且在室外环境因遮挡等原因效果仍不失很好。GPS卫星导航系统能够向全球导航通信设备提供实时的位置、速度等定位 信息服务，但是定位精度只能达到几米，一般用于室外导航并且信号容易受到树木、楼宇等遮挡影响。差分GPS可以得到比单点定位更高的精度。但是这种方法价格高昂，仍然无法应用到室内环境。

伴随计算机视觉、图像处理技术发展的同时，机器视觉方法通过感知环境进行导航，同时在机器人实时定位方面得到广泛应用。视觉同时定位方法的原理是，通过安装在机器人身上的摄像机实时采集运动过程中的图像，并从图像中提取相关信息，进而判断并计算机器人的运行姿态和轨迹，最终实现导航和实时定位。然而视觉传感器容易受到光照的影响，同时在曝光较强、低亮度等情况下同时定位容易丢失。除此之外，单纯的单目视觉传感器没有尺度信息，无法感知机器人所处周围环境深度，并且在机器人原地转弯时特征丢失，容易导致机器人实时定位失效。

巡检机器人使用惯性测量单元进行定位发展较早，惯性定位是利用惯性测量单元测量的线加速度和旋转角速率来计算载体的六自由度同时定位信息。载体的角速率通过陀螺仪测量，主要用于计算机器人的旋转矩阵，并且提供载体坐标系和导航坐标系的转化关系；载体的线加速度通过加速度计测量，通过对得到的加速度积分求解机器人的速度信息和位移信息，最后通过将机器人六自由度信息转换到导航坐标系中完成定位。然而单纯的惯性测量单元在重复路径下误差累计较大，并且无法进行有效的回环检测。除此之外，因惯性测量单元随机游走等性质，在巡检机器人起步以及加速度变化较大时会产生大量迟滞误差。

为此，设计一种室内室外巡检机器人综合系统及导航方法。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明提供一种室内室外巡检机器人综合系统及巡检机器人导航方法，使巡检机器人在室内室外与服务器终端进行有效通讯，完成精确导航，构建高精度的特征点地图。