專利名稱：核電站救援機器人位姿矯正平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種核電站救援機器人位姿矯正平臺，屬于機器人技術(shù)、傳感技術(shù)、和導(dǎo)航技術(shù)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
機器人定位技術(shù)在機器人自主導(dǎo)航領(lǐng)域上，有著至關(guān)重要的作用。現(xiàn)今，機器人定位技術(shù)多種多樣，各具特色，但它們大多僅滿足工作在正常環(huán)境下的定位。對于特殊環(huán)境的機器人定位，則必須使用一些特殊的定位方法才能有效工作，這是那些常用的定位措施無法實現(xiàn)的功能。本發(fā)明主要面向核電站的核放射環(huán)境的移動機器人定位。一方面，核電站為室內(nèi)環(huán)境，無法使用GPS來進行準(zhǔn)確定位，且核電站的建筑結(jié)構(gòu)有著很強的防護效果，因此核電站外部的電磁波、電場、磁場等外部信息都很難進入核電站內(nèi)部供機器人定位使用。因此大多使用慣導(dǎo)或者編碼器等方式對機器人進行推算導(dǎo)航。另一方面，機器人推算導(dǎo)航難免會有嚴(yán)重的累計誤差，導(dǎo)致機器人的位姿判斷失準(zhǔn)。然而，通常對于推算導(dǎo)航累積誤差的修正要依賴于一些外部信息，如地磁信息或GPS信息等，但這些方式都不適用于核電站環(huán)境。還有一些位姿修正方法是通過在環(huán)境中布置一些有源器件，如光電器件，通過對這些有源器件的檢測來實現(xiàn)對機器人位姿的矯正。但當(dāng)核電站發(fā)生嚴(yán)重泄漏事故時，整個核電站內(nèi)部充滿了核放射。這種情況下，任何未經(jīng)特殊處理的有源器件都是會失效的。因此，用于 矯正的器件不能包含有源器件。另一些矯正方式雖然可以使用無源器件，如二維碼掃描，無源RFID等，但使用這些無源器件，往往需要在機器人上添加其他掃描設(shè)備，增加了機器人的負擔(dān)，且算法復(fù)雜，作用距離短，效果不佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種核電站救援機器人位姿矯正平臺，能夠適用于核電站核輻射狀況下的移動機器人定位系統(tǒng)，工作在無源且無法接受GPS，地磁等外部信號的特殊環(huán)境中。1.為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:一種核電站救援機器人位姿矯正平臺，包括機器人、機器人自帶的激光傳感器，照相機，視頻編碼器，無線路由器及核電站的位姿矯正參照物一斜坡、編碼孔和擋板，以及上位機無線路由器和上位機，其特征在于:在核電站地面用水泥或木板筑起位姿已知的固定斜坡，斜坡的左右兩側(cè)通過螺栓將兩塊擋板與斜坡貼緊連接并固定，在擋板的中間水平區(qū)域鉆數(shù)個孔作為編碼孔，編碼孔的深度和個數(shù)由實際信息量需求決定；機器人在斜坡上運行，激光傳感器安裝在斜坡兩側(cè)，照相機安裝在機器人上，照相機的輸出連接視屏傳感器，視頻傳感器和激光傳感器的輸出經(jīng)無線路由器、無線傳輸給上位機無線路由器，上位無線路由器的輸出連接到上位機；上位機工作人員通過上位機查看到斜坡，即手動操控機器人進入擋板之間的斜坡，由于斜坡的姿態(tài)已知，由此機器人的姿態(tài)也相應(yīng)獲得；當(dāng)機器人運動到斜坡中段時，通過裝在兩側(cè)的激光傳感器測量開鑿在擋板的編碼孔的深度，并以此獲得機器人當(dāng)前的位置坐標(biāo)，并實施矯正。
所述斜坡是發(fā)生核泄漏前人為制造的斜坡，其姿態(tài)完全已知。斜坡的寬度與機器人底盤的寬度是相等的，通過在斜坡的兩側(cè)筑起兩塊擋板，由此可以進一步限制機器人在Y方向(即與機器人運動方向垂直的方向)的自由度。通過這個措施，機器人進入斜坡之后的姿態(tài)必定是唯一的，且與斜坡的姿態(tài)一致。由此根據(jù)人為筑造的斜坡的姿態(tài)就可以推斷出機器人處于斜坡位置時的姿態(tài)，即機器人的航向角α、橫滾角β、俯仰角Υ。通過更新算法，就實現(xiàn)了機器人姿態(tài)的矯正。消除了推算導(dǎo)航產(chǎn)生的固有累計誤差。所述斜坡中段區(qū)域兩側(cè)的擋板上鑿有一些編碼孔，這些編碼孔的深度存儲了當(dāng)前機器人的坐標(biāo)位置。當(dāng)機器人運動至這片區(qū)域范圍時，通過激光傳感器可以檢測出各個編碼孔的深度，并通過解碼獲取機器人當(dāng)前的位置坐標(biāo)(X，Y，Ζ)。通過更新算法，就實現(xiàn)了機器人位置坐標(biāo)的矯正。當(dāng)然，依據(jù)編碼孔的編碼復(fù)雜程度可以存儲其他信息，不局限于坐標(biāo)信息，因此本發(fā)明并不規(guī)定編碼孔的編碼方式。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著技術(shù)進
I K
少:
本發(fā)明未使用核電站內(nèi)部任何有源器件，且未利用任何外部的信號來對機器人的位姿進行矯正，因此適用于核電站發(fā)生大規(guī)模泄漏后，沒有外部信號，也沒有任何有源設(shè)備的特殊場景的機器人位姿修正。


圖1為本發(fā)明的機器人位姿矯正平臺組成及示意圖。圖1中，A部分為平臺的主視圖，B部分為平臺俯視圖。I為機器人工作環(huán)境，2為機器人機身，3為機器人兩側(cè) 安裝的激光傳感器,4為人工筑造于核電站的斜坡,5為鑿于擋板上的編碼孔，6為機器人處于斜坡中間段的狀態(tài)，7為緊貼在斜坡兩側(cè)的擋板。圖2為機器人與上位機的通信簡圖。圖2中，8為上位機PC，9為與上位機相連接的無線路由器，10為安裝在機器人上的無線路由器，11為視屏編碼器，用于將照相機的數(shù)據(jù)進行編碼便于傳輸，12為機器人上安裝的照相機。圖3為斜坡在坐標(biāo)系下的姿態(tài)描述。圖4為機器人測量編碼孔深度的示意圖。其中，13為激光傳感器放出的激光，用以檢測編碼孔深度。圖5為編碼孔的編碼方式示意圖，其中14、15、16分別為孔深為6011、4011、1011的編碼孔。圖6為機器人位姿矯正的簡要流程圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作詳細描述。實施例一:參見圖1和圖2，本核電站救援機器人位姿矯正平臺，包括機器人(2)、機器人自帶的激光傳感器(3)，照相機(12)，視頻編碼器(11)，無線路由器(10)及核電站的位姿矯正參照物一斜坡(4)、編碼孔(5)和擋板(7)，以及上位機無線路由器(9)和上位機
(8)。在核電站地面(I)用水泥或木板筑起位姿已知的固定斜坡(4)，斜坡(4)的左右兩側(cè)通過螺栓將兩塊擋板(7)與斜坡(4)貼緊連接并固定，在擋板(7)的中間水平區(qū)域鉆數(shù)個孔作為編碼孔(5)，編碼孔(5)的深度和個數(shù)由實際信息量需求決定；機器人(2)在斜坡上運行，激光傳感器(3)安裝在斜坡(4)兩側(cè)，照相機(12)安裝在機器人(2)上，照相機(12)的輸出連接視屏傳感器(11)，視頻傳感器(11)和激光傳感器(3)的輸出經(jīng)無線路由器(10)、無線傳輸給上位機無線路由器(9)，上位無線路由器(9)的輸出連接到上位機(8);上位機工作人員通過上位機(8)查看到斜坡(4)，即手動操控機器人(2)進入擋板(7)之間的斜坡
(4)，由于斜坡(4)的姿態(tài)已知，由此機器人(2)的姿態(tài)也相應(yīng)獲得；當(dāng)機器人(2)運動到斜坡(4)中段時，通過裝在兩側(cè)的激光傳感器(3)測量開鑿在擋板(7)的編碼孔(5)的深度，并以此獲得機器人(2)當(dāng)前的位置坐標(biāo)，并實施矯正。實施例二:本實施例與實施例一基本相同，特別之處是:所述機器人(2)將攜帶的照相機(12)記錄下的環(huán)境數(shù)據(jù)通過視屏編碼器(11)和無線路由器(10)傳輸給上位機(8)，核電站外的工作人員觀察到核電站內(nèi)的斜坡(4)，即發(fā)送命令手動操作機器人(2)進入斜坡(4)中；所述斜坡(4)為人為特制的，因此斜坡(4)的傾角和方向角是完全已知的，斜坡
(4)的寬度與機器人(2)底盤的寬度一致，且在斜坡(4)兩側(cè)安置了兩塊擋板(7)以限制機器人Y方向的自由度，因此機器人(2)恰好通過斜坡(4);由于斜坡的的傾角和方向角已知，那么在其上的機器人(2)的姿態(tài)角一航向角α、橫滾角β和俯仰角Υ就和事先設(shè)定的斜坡(4)的姿態(tài)完全一致；由此即可更新機器人(2)當(dāng)前的姿態(tài)；所述擋板(7)起限制機器人
(2)Υ方向作用，在擋板(7)中間還開鑿了一些編碼孔(5)，編碼孔(5)的深度記錄了當(dāng)前斜坡(4)的坐標(biāo)位置。機器人(2)兩側(cè)安裝的激光傳感器(3)測量出編碼孔(5)的深度，進行解碼后，獲得機器人(2)當(dāng)前的位置坐標(biāo)，并實施矯正。當(dāng)機器人(2)正常工作時，可以自主前進，并通過無線路由將獲得的圖像信息傳遞給核電站外的上位機顯示。然而，當(dāng)操作人員通過上位機看到斜坡(4)時，即切換操作模式為手動模式，并控制機器人(2 )爬上斜坡(4 )。如圖1所示，斜坡(4)的寬度被設(shè)定為恰好能容納機器人(2)通過。為避免機器人
(2)在Y方向產(chǎn)生位移，還要在斜坡(4)兩側(cè)豎立兩塊擋板(7)。這樣機器人(2)就能以唯一的姿態(tài)通過斜坡(4)。斜坡(4)是在發(fā)生泄漏前就人為造好的斜坡，其方向角及坡度角是已知的。因此機器人(2)處于斜坡(4)的姿態(tài)角(航向角α、橫滾角β、俯仰角Y)則完全與斜坡一致。如圖3所示，as，β8，Ys為斜坡(4)各面與大地坐標(biāo)系的夾角，設(shè)X方向為機器人初始設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)航向。則機器人(2)的航向角a =as,橫滾角β =Ps,俯仰角m。由此，通過更新算法，就可以消除機器人(2)姿態(tài)測量的累計誤差。當(dāng)機器人(2)運動至斜坡(4)中段區(qū)域時，如圖5所示，安轉(zhuǎn)在機器人(2)兩側(cè)的激光傳感器(3 )放出激光(13 )來測量各個編碼孔(5 )的深度。如圖5所示，三個編碼孔的深度分別為6cm，4cm，Icm0我們可以事先規(guī)定第一個編碼孔代表機器人(2)X方向坐標(biāo)，第二個編碼孔代表機器人(2)Y方向坐標(biāo)，第三個編碼孔代表機器人(2) Z方向坐標(biāo)，且編碼孔(2)每厘米深度代表IOm的距離，那么機器人(2)此時的坐標(biāo)為(60m，40m，10m),由此即可更新機器人(2)位置坐標(biāo)。以上編碼方式僅僅是舉例，實際應(yīng)用中應(yīng)該考慮機器人(2)實際需要的信息量和激光傳感器的測量精度、 分辨率等因素來合理制定編碼孔(4)的編碼方式。圖6為機器人位姿矯正的簡要流程圖。
權(quán)利要求
1.一種核電站救援機器人位姿矯正平臺，包括機器人(2)、機器人自帶的激光傳感器(3)，照相機(12)，視頻編碼器(11)，無線路由器(10)及核電站的位姿矯正參照物一斜坡(4)、編碼孔(5)和擋板(7)，以及上位機無線路由器(9)和上位機(8)，其特征在于:在核電站地面(I)用水泥或木板筑起位姿已知的固定斜坡(4 )，斜坡(4 )的左右兩側(cè)通過螺栓將兩塊擋板(7)與斜坡(4)貼緊連接并固定，在擋板(7)的中間水平區(qū)域鉆數(shù)個孔作為編碼孔(5)，編碼孔(5)的深度和個數(shù)由實際信息量需求決定；機器人(2)在斜坡上運行，激光傳感器(3)安裝在斜坡(4)兩側(cè)，照相機(12)安裝在機器人(2)上，照相機(12)的輸出連接視屏傳感器(11)，視頻傳感器(11)和激光傳感器(3)的輸出經(jīng)無線路由器(10)、無線傳輸給上位機無線路由器(9)，上位無線路由器(9)的輸出連接到上位機(8);上位機工作人員通過上位機(8)查看到斜坡(4)，即手動操控機器人(2)進入擋板(7)之間的斜坡(4)，由于斜坡(4)的姿態(tài)已知，由此機器人(2)的姿態(tài)也相應(yīng)獲得；當(dāng)機器人(2)運動到斜坡(4)中段時，通過裝在兩側(cè)的激光傳感器(3)測量開鑿在擋板(7)的編碼孔(5)的深度，并以此獲得機器人(2)當(dāng)前的位置坐標(biāo)，并實施矯正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的核電站救援機器人位姿矯正平臺，其特征在于所述機器人(2)將攜帶的照相機(12)記錄下的環(huán)境數(shù)據(jù)通過視屏編碼器(11)和無線路由器(10)傳輸給上位機(8)，核電站外的工作人員觀察到核電站內(nèi)的斜坡(4)，即發(fā)送命令手動操作機器人(2)進入斜坡(4)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的核電站救援機器人位姿矯正平臺，其特征在于所述斜坡(4)為人為特制的，因此斜坡(4)的傾角和方向角是完全已知的，斜坡(4)的寬度與機器人(2)底盤的寬度一致，且在斜坡(4)兩側(cè)安置了兩塊擋板(7)以限制機器人Y方向的自由度，因此機器人(2)恰好通過斜坡(4);由于斜坡的的傾角和方向角已知，那么在其上的機器人(2)的姿態(tài)角一航向角α、橫滾角β和俯仰角Y就和事先設(shè)定的斜坡(4)的姿態(tài)完全一致；由此即可更新機器人(2)當(dāng)前 的姿態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的核電站救援機器人位姿矯正平臺，其特征在于所述擋板(7)起限制機器人(2)Υ方向作用，在擋板(7)中間還開鑿了一些編碼孔(5)，編碼孔(5)的深度記錄了當(dāng)前斜坡(4)的坐標(biāo)位置。機器人(2)兩側(cè)安裝的激光傳感器(3)測量出編碼孔(5)的深度，進行解碼后，獲得機器人(2)當(dāng)前的位置坐標(biāo)，并實施矯正。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種移動機器人的位姿矯正平臺。包括機器人、機器人自帶的激光傳感器，照相機，視頻編碼器，無線路由，核電站的位姿矯正參照物—斜坡、編碼孔和擋板，上位機無線路由和上位機。在核電站地面用水泥或木板筑起位姿已知的固定斜坡，斜坡的左右兩側(cè)通過螺栓將兩塊擋板與斜坡貼緊連接并固定，在擋板的中間水平區(qū)域鉆數(shù)個孔作為編碼孔，編碼孔的深度和個數(shù)由實際信息量需求決定；上位機工作人員通過上位機查看到斜坡，當(dāng)機器人運動到斜坡中段時，通過裝在兩側(cè)的激光傳感器測量開鑿在擋板的編碼孔的深度，獲得機器人當(dāng)前的位置坐標(biāo)，并實施矯正。本發(fā)明可以使用在發(fā)生過重大核泄漏的沒有任何電源的核電站。
文檔編號G05D1/02GK103245361SQ20131017046
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月10日
發(fā)明者羅均, 諸華林, 李恒宇, 蒲華燕, 謝少榮 申請人:上海大學(xué)