一种自主导航的移动机器人及其操作方法与流程
本专利针对传统移动机器人依赖固定路径、灵活性差的问题，提出一种融合激光雷达与立体视觉的自主导航方案。通过实时环境感知、多模块协同的软件架构，实现动态路径规划与智能避障，显著提升机器人在复杂场景中的适应性。该技术可广泛应用于餐饮配送、商业导览及工业物流等领域，降低部署成本并增强人机交互体验。
本发明涉及移动机器人技术领域，尤其涉及一种自主导航的移动机器人及其操作方法。
(automatedguidedvehicle，简称agv)，通常也称为agv小车，指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。一般可通过利用电磁轨道(electromagneticpath-followingsystem)来设立其行进路线，电磁轨道黏贴于地板上。由于需要预先铺设轨道，具有可扩展性差，无法灵活进行线路调整等缺陷。
随着计算机技术和传感器技术的发展，尤其是激光雷达和3d摄像头技术的发展，通过采用新技术设计的具有自主导航功能的移动机器人越来越受到市场的追捧。
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种自主导航的移动机器人及其操作方法，解决了现有技术中受agv小车固定轨道的限制的技术问题。
一种自主导航的移动机器人，包括机器人底盘框架、驱动系统、操作控制板、传感系统、电脑主机、电源系统、机器人控制器和遥控装置，所述机器人底盘框架由顶板、底板和围绕且固定安装在两者之间的围板组成，所述驱动系统固定安装底板的底端，所述操作控制板固定在围板一端，所述电脑主机、电源系统、机器人控制器和遥控装置均安装在机器人底盘框架内部的底板上方，所述电脑主机通过电脑支撑板安装在底板上，所述电脑主机的输入输出（i/o）接口与操作控制板相连接，所述电脑主机通过输入输出接口与机器人控制器进行通讯，所述操作控制板的背面安装有直流到直流变压模块，所述电源系统通过直流到直流变压模块与电脑主机、机器人控制器和遥控装置分别连接；所述传感系统包括激光雷达传感器、立体摄像头、若干个超声波传感器和传感器数据采集接口模块，所述超声波传感器固定安装在围板上，用来探测激光雷达传感器无法测到的障碍物，所述围板在安装所述操作控制板的相对端设有凹槽，所述激光雷达传感器和立体摄像头固定安装在凹槽内，所述传感器数据采集接口模块固定安装在底板上，所述激光雷达传感器和立体摄像头将获取的传感数据通过传感器数据采集接口模块实时传送给与其相连的电脑主机。
进一步，所述电脑主机的运行操作系统为pc主机或者单板电脑（sbc）中的一种，所述单板电脑（sbc）的操作系统可以为linux或windows系统中的一种；所述电脑主机为开放的软件架构，所述软件架构包括地图绘制模块、路径规划模块、自动避障模块、自主导航模块、传感器数据采集接口模块和通信接口模块，所述软件架构的各模块之间相互连接，均固定安装在底板上，软件架构的各模块之间以及模块与服务器/外部系统之间通过标准的通信协议和定制的数据格式进行通信；所述服务器或外部系统为外接电子设备的管理系统或者业务流程系统中的一种。
进一步，所述驱动系统包括驱动轮、万向轮、直流电机、电机减速机和电机驱动器，所述直流电机与电机减速机相连，用来输出更大的扭矩，所述电机减速机与驱动轮相连，驱动轮随电机减速机旋转而旋转，电机驱动器安装在底板上，通过输入输出接口与附属设备进行连接；所述驱动轮至少两个且彼此位置对称，分别连接至独立的电机减速机，采用差速驱动方式，通过电机驱动器调节两个电机的不同转速，来控制机器人的前进和转向；所述万向轮至少为两个且彼此位置对称，分别位于底板的前方和后方，起到支撑的作用。
进一步，所述直流电机与电机减速机紧密连接，通过配置不同减速比的电机减速机，来获得要求的输出力矩性能；所述电机减速机与固定安装在底板上方的电机支架相连接，所述电机减速机的电源线及控制线可穿过底板上的通孔与电机驱动器和直流到直流变压模块相连；所述顶板上开具不同的通孔或螺孔，用来固定附属设备。
进一步，所述操作控制板设有实现用户的控制操作以及机器人的状态显示的电源开关、紧急停止开关、遥控器开关、用户按钮、led指示灯、usb接口、视频接口、充电孔和电源指示灯，所述电源开关连接到主电路，作为主开关控制整个机器人的供电开断，紧急停止开关用来在紧急情况下命令机器人紧急停车，遥控器开关用来启动遥控装置，切换到遥控控制模式，用户按钮和led指示灯可通过编程来定义其功能，usb接口和视频接口可根据需要连接至电脑主机和机器人控制器，以方便调试，充电孔用于电池充电，电源指示灯通过不同的颜色来标示电池的电量信息。
进一步，所述电源系统包括电池仓、多块串联/并联的电池、充电/供电电路和电源分配板，所述电池安装在电池仓中，所述电池仓固定在底板上，所述电池仓盖板采用分离式设计，可以通过调节两侧的螺丝的长度来适配不同规格的电池，所述螺丝与电池仓将电池紧密固定，防止电池移动及掉落；所述电源分配板上安装若干个直流到直流变压模块，所述直流到直流变压模块的一端与电池连接，一端输出电压。
进一步，所述遥控装置由遥控接收器和手持遥控器组成，所述遥控接收器通过输入输出接口与机器人控制板相连，所述遥控接收器接收手持遥控器发出的指令，通过输入输出接口上报给机器人控制器。
进一步，所述机器人控制器包含计算及存储模块、数字及模拟输入输出端口、传感器接口、imu模块、rs485模块和usb模块；所述机器人控制器运行电机的pid调速算法、imu混合算法与电脑主机进行通信，接收电脑主机下发的命令及上报实时数据。
进一步，一种自主导航的移动机器人的操作方法，打开电源开关和手持遥控器开关操纵手持遥控器手柄采用差速驱动的方式控制机器人在工作空间内移动；所述手持遥控器将用户的遥控命令传送到机器人控制器，所述机器人控制器将遥控信号通过数据转换成驱动轮的运行速度，然后将运行速度指令下发到电机驱动器，所述电机驱动器根据收到的指令调整电机的转速来控制驱动轮的运行速度；在机器人运行的过程中，所述激光雷达传感器和立体摄像头不断收集周围环境的信息，然后将信息通过传感器数据采集接口模块上传到电脑主机进行处理，所述超声波传感器将收集到的信息通过机器人控制器上传到电脑主机，所述电机驱动器将电机的运转信息通过机器人控制器上传到电脑主机，所述电脑主机通过对收集到的所有数据信息进行加工生成机器人所在运行环境的地图。
进一步，一种自主导航的移动机器人的操作方法，启动机器人并加载地图，用户通过服务器或外部系统向机器人电脑主机下发运行到地图上某个目标点的命令，此命令包含了目标点的坐标和角度信息；当机器人收到命令后，通过路径规划模块规划出运行的最优路线，然后通过通信接口向机器人控制器下发驱动轮运行的速度命令，所述机器人控制器将此命令下发到电机驱动器，机器人执行运行命令；在机器人运行的过程中，所述激光雷达传感器和立体摄像头会不断的收集周围环境的信息，然后将信息通过传感器数据采集接口模块上传到电脑主机进行处理，所述超声波传感器将收集到的信息通过机器人控制器上传到电脑主机，所述电机驱动器将电机的运转信息通过机器人控制器上传到电脑主机，所述电脑主机根据收集到的信息实现自定位、自主导航至目标点的路径规划、自动避障的操作任务。
本发明采用开放的软件架构，能够完成地图绘制，路径规划，自动避障，自主导航。本发明具有自动化程度高、部署时间短，维护成本低，应用广泛等优点，可广泛应用于餐厅送餐，商场导购，智慧工厂的货物运输和搬送，有效实现机器人与用户的交互互动。
图2为本发明一种自主导航的移动机器人及其操作方法的底部驱动系统结构示意图；
图3为本发明一种自主导航的移动机器人及其操作方法的前端传感系统结构示意图；
图4为本发明一种自主导航的移动机器人及其操作方法的后端操作控制板结构示意图；
图5为本发明一种自主导航的移动机器人及其操作方法的内部横截面结构示意图；
附图标记：1、顶板，2、底板，3、围板，4、操作控制板，5、驱动轮，6、万向轮，7、直流电机，8、电机减速机，9、激光雷达传感器，10、摄像头，11、超声波传感器，12、电源开关，13、紧急停止开关，14、遥控器开关，15、用户按钮，16、led指示灯，17、usb接口，18、视频接口，19、充电孔，20、电源指示灯，21、横向超声波支架，22、竖向超声波支架，23、雷达支架，24、摄像头支架，25、电机驱动器，26、机器人控制器，27、电源分配板，28、电脑主机，29、电机支架，30、电池仓，31、电池，32、电脑支撑板，33、电池仓盖板，34、支撑柱。
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1所示，机器人底盘框架由顶板1、底板2和围绕且固定安装在两者之间的围板3组成，所述操作控制板4固定在围板一端。
如图2和图5所示，驱动系统包括驱动轮5、万向轮6、直流电机7、电机减速机8和电机驱动器25，所述直流电机7与电机减速机8相连，用来输出更大的扭矩，所述电机减速机8与驱动轮5相连，驱动轮5随电机减速机8旋转而旋转，所述底板2上设有支撑柱34，所述电机驱动器25通过支撑柱34安装在底板2上，通过各种接口与附属设备进行连接；所述驱动轮5至少两个且彼此位置对称，分别连接至独立的电机减速机8，采用差速驱动方式，通过电机驱动器8调节两个电机的不同转速来控制机器人的前进和转向；所述万向轮6至少为两个且彼此位置对称，分别位于底板2的前方和后方起到支撑作用；所述直流电机7与电机减速机8紧密连接，通过配置不同减速比的电机减速机8来获得要求的输出力矩性能。
如图2和图4所示，所述电机减速机8与固定安装在底板2上方的电机支架29相连接，所述电机减速机8的电源线和直流到直流变压模块相连；所述顶板1上开具不同的通孔或螺孔，用来固定附属设备。
如图3和图4所示，传感系统包括激光雷达传感器9、立体摄像头10、若干个超声波传感器11和传感器数据采集接口模块，所述围板3在安装所述操作控制板4的相对端设有凹槽，所述激光雷达传感器9和立体摄像头10通过雷达支架23和摄像头支架24固定安装在凹槽内，所述传感器数据采集接口模块固定安装在底板2上，所述超声波传感器11固定安装在围板3上，用来探测激光雷达传感器9无法测到的障碍物；所述激光雷达传感器9和立体摄像头10将获取的传感数据通过传感器数据采集接口模块实时传送给与其相连的电脑主机28；如图5所示，所述底板2上设有横向超声波支架21和竖向超声波支架22，横向超声波支架21用来支撑安装在机器人前方围板凹槽下方的三组超声波传感器11，竖向超声波支架22用来支撑安装在操作控制板4的两侧的两组超声波传感器11。
如图4和图5所示，操作控制板包括电源开关12、紧急停止开关13、遥控器开关14、用户按钮15、led指示灯16、usb接口17、视频接口18、充电孔19和电源指示灯20；所述电源开关12连接到主电路，作为主开关控制整个机器人的供电开断；所述紧急停止开关13用来在紧急情况下使用，当此开关按下后，机器人将立即停车；所述遥控器开关14用来启动遥控装置，当按下此开关，机器人切换到遥控控制模式；所述用户按钮15和led指示灯16通过编程来定义其功能；所述usb接口17和视频接口18根据需要连接至电脑主机和机器人控制器，方便调试；充电孔19用来给电池31充电；电源指示灯20通过不同的颜色来标示电池31的电量信息；操作控制板4的背面还安装有直流到直流的变压模块，用来提供多种不同的电压，5v、12v或19v。
如图5所示，电源系统包括电池仓30、多块串联/并联的电池31、充电/供电电路和电源分配板27，所述电池31安装在电池仓30中，所述电池仓30固定在底板2上，将电池31放入电池仓30中，盖上电池仓盖板33，所述电池仓盖板33的两侧设有紧固螺丝，所述螺丝与电池仓30将电池31紧密固定，防止电池31移动及掉落，通过调节两侧的螺丝的长度来适配不同规格的电池31，所述电源分配板27上安装若干个直流到直流变压模块，所述直流到直流变压模块的一端与电池31连接，一端输出不同的电压。
如图5和6所示，所述电脑主机28、电源系统、机器人控制器26和遥控装置均安装在机器人底盘框架内部的底板2上方，所述电脑主机28通过电脑支撑板32安装在底板2上，所述电脑主机28的运行操作系统为pc主机，所述单板电脑（sbc）的操作系统为linux系统；所述电脑主机28为开放的软件架构，所述软件架构包括地图绘制模块、路径规划模块、自动避障模块、自主导航模块、传感器数据采集接口模块和通信接口模块，所述软件架构的各模块之间相互连接，均固定安装在底板2上，软件架构的各模块之间以及模块与服务器/外部系统之间通过标准的通信协议和定制的数据格式进行通信；所述服务器或外部系统为外接电子设备的管理系统；所述电脑主机28的输入输出（i/o）接口与操作控制板4相连接，所述电脑主机28通过输入输出接口与机器人控制器26进行通讯，所述操作控制板4的背面安装有直流到直流变压模块，所述电源系统通过直流到直流变压模块与电脑主机28、机器人控制器26和遥控装置分别连接；所述电机驱动器26安装在底板2上，通过输入输出接口与附属设备进行连接。
如图6所示，一种自主导航的移动机器人的操作方法，打开电源开关12和手持遥控器开关14操纵手持遥控器手柄采用差速驱动的方式控制机器人在工作空间内移动；所述手持遥控器将用户的遥控命令传送到机器人控制器26，所述机器人控制器26将遥控信号通过数据转换成驱动轮5的运行速度，然后将运行速度指令下发到电机驱动器25，所述电机驱动器25根据收到的指令调整电机的转速来控制驱动轮5的运行速度；在机器人运行的过程中，所述激光雷达传感器9和立体摄像头10不断收集周围环境的信息，然后将信息通过传感器数据采集接口模块上传到电脑主机28进行处理，所述超声波传感器11将收集到的信息通过机器人控制器26上传到电脑主机28，所述电机驱动器25将电机的运转信息通过机器人控制器26上传到电脑主机28，所述电脑主机28通过对收集到的所有数据信息进行加工生成机器人所在运行环境的地图。
如图6所示，一种自主导航的移动机器人的操作方法，启动机器人并加载地图，用户通过服务器或外部系统向机器人电脑主机28下发运行到地图上某个目标点的命令，此命令包含了目标点的坐标和角度信息；当机器人收到命令后，通过路径规划模块规划出运行的最优路线，然后通过通信接口向机器人控制器26下发驱动轮5运行的速度命令，所述机器人控制器26将此命令下发到电机驱动器25，机器人执行运行命令；在机器人运行的过程中，所述激光雷达传感器9和立体摄像头10会不断的收集周围环境的信息，然后将信息通过传感器数据采集接口模块上传到电脑主机28进行处理，所述超声波传感器11将收集到的信息通过机器人控制器26上传到电脑主机28，所述电机驱动器25将电机的运转信息通过机器人控制器26上传到电脑主机28，所述电脑主机28根据收集到的信息实现自定位、自主导航至目标点的路径规划、自动避障的操作任务。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
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