导盲机器人系统.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115079690A(43)申请公布日2022.09.20(21)申请号202210557056.1(22)申请日2022.05.20(71)申请人清华大学深圳国际研究生院地址518055广东省深圳市南山区西丽街道深圳大学城清华校区A栋二楼(72)发明人梁斌王学谦许正哲陈彦伯翦卓著肖岸星(74)专利代理机构深圳新创友知识产权代理有限公司44223专利代理师江耀纯(51)Int.Cl.G05D1/02(2020.01)权利要求书3页说明书14页附图4页(54)发明名称导盲机器人系统(57)摘要本发明公开了一种导盲机器人系统，包括建图与定位系统、状态估计系统、运动规划系统、运动控制系统，所述建图与定位系统将建立的栅格地图传送给运动规划系统，并将机器人与使用者坐标传送给状态估计系统；所述状态估计系统将机器人、使用者坐标的状态估计值传送给运动规划系统；所述运动规划系统利用栅格地图、状态估计值求解出系统的控制变量，并传递给运动控制系统。本发明能够在复杂环境下规划出一条由使用者与机器人当前位置到目标位置的实时路径，并规划作用在人身上的力和机器人的运动速度，从而将使用者安全地、舒适地牵引至目标位置。CN115079690ACN115079690A权利要求书1/3页1.一种导盲机器人系统，其特征在于，包括建图与定位系统、状态估计系统、运动规划系统、运动控制系统，所述建图与定位系统将建立的栅格地图传送给运动规划系统，并将机器人与使用者坐标传送给状态估计系统；所述状态估计系统将机器人、使用者坐标的状态估计值传送给运动规划系统；所述运动规划系统利用栅格地图、状态估计值求解出系统的控制变量，并传递给运动控制系统。2.如权利要求1所述的导盲机器人系统，其特征在于，所述建图与定位系统通过如下设备中的至少一者实时建立使用者与机器人所处的环境的地图及二者的实时位置：激光雷达、深度相机、云台。3.如权利要求1所述的导盲机器人系统，其特征在于，所述状态估计系统使用运动模型和传感器观测值，使用无迹卡尔曼滤波修正使用者与机器人的位置信息。4.如权利要求1所述的导盲机器人系统，其特征在于，所述运动规划系统包含路径规划器和运动规划器，具有对使用者行走轨迹、所受拉力和机器人控制量规划的功能,所述运动规划器包含人运动规划器和机器人运动规划器，其中路径规划器用于规划使用者和机器人的实时前进路径，人运动规划器用于规划作用在使用者身上的力，机器人运动规划器规划机器人的实时速度。5.如权利要求4所述的导盲机器人系统，其特征在于，所述运动控制系统包含机器人移动控制器与微控制器，用于控制机器人的速度与作用在使用者身上的力。6.如权利要求2所述的导盲机器人系统，其特征在于，所述建图与定位系统包括地图构建与机器人定位模块和使用者定位模块；根据激光雷达的点云数据，通过地图构建与机器人定位模块，生成栅格地图并获取当前机器人位姿数据；通过使用者定位模块识别用户面部，使得云台进行旋转以保证用户面部始终位于摄像头视野中央，并返回旋转角度值；结合深度相机深度信息与云台旋转角度值，实现对使用者的定位。7.如权利要求6所述的导盲机器人系统，其特征在于，地图构建与机器人定位模块的传感器为激光雷达，使用者定位模块的传感器为深度相机、一维云台。8.如权利要求6所述的导盲机器人系统，其特征在于，所述建图与定位系统包括计算机软件，所述计算机软件工作时执行如下步骤：首先利用激光雷达扫描数据实现即时地图构建与机器人定位；然后，通过人脸识别程序识别用户面部，并控制云台旋转以保证面部位于相机视野中央；此时深度相机测得人脸深度，根据几何关系可获得机器人距使用者水平距离；同时云台能够获取旋转角度；在已知机器人位姿、人机水平距离、云台旋转角度时，可根据公式计算得到使用者位置；具体公式如下：其中公式中的为使用者坐标，为机器人坐标，Df为深度相机测得人脸特征点平均深度，为深度相机固定仰角，H为使用者的身高，hc为深度相机固定高度，θ为机器人偏航角yaw，φ为舵机转动角度。9.如权利要求4所述的导盲机器人系统，其特征在于，所述路径规划器在给定栅格地图上的目标位置点坐标后，为使用者规划出一条从当前位置到目标位置的无碰撞、平滑的路2CN115079690A权利要求书2/3页径。10.如权利要求9所述的导盲机器人系统，其特征在于，人运动规划器基于模型预测控制的方法，制定了以拉力、绳长、机器人偏航角为优化变量的多目标优化问题，建立了人机运动学模型，模型中，将使用者的状态划分为站立、行走两个模式，并在两种模式下建立了不同的运动学模型，以使用者所受拉力大小和变化率作为运动模式切换的条件。11.如权利要求10所述的导盲机器人系统，其特征在于，构建的多目标优化问题公式如下：subject