專利名稱：群機器人無線充電的輔助無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種定位方法，特別涉及一種群機器人無線充電的輔助無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點。
背景技術：
群機器人系統(tǒng)是多機器人系統(tǒng)的一類，由大量簡單自治的機器人組成，其主要通過交互，產(chǎn)生自組織行為，從而實現(xiàn)群體宏觀功能的涌現(xiàn)。為實現(xiàn)群機器人的宏觀功能涌現(xiàn)，需要首先實現(xiàn)單體機器人的定位、導航、信息交互等基本功能。例如，為實現(xiàn)群機器人合作搬運，首先要求單體機器人能夠對自身進行定位，然后根據(jù)自身位置用地圖信息進行導航，最后通過局部交互，被任務點吸引，單體在任務點集合形成搬運群體，進行聯(lián)合搬運，這其中定位、導航的精準度尤為重要。

發(fā)明內容
本發(fā)明是針對群機器人系統(tǒng)中定位、導航的精準度重要的問題，提出了一種群機器人無線充電的輔助無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，用以輔助群機器人的定位、導航、協(xié)作。本發(fā)明的技術方案為:一種群機器人無線充電的輔助無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，包括從下到上安裝的外殼、節(jié)點鋰電池、節(jié)點電路板、磁屏蔽層、電力接收線圈、無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點上蓋，無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點上蓋中間有沉頭螺絲孔，外殼中間有圓柱通孔，螺絲從上蓋通過通孔安裝固定于地面上；電力接收線圈緊貼無線傳感節(jié)點上蓋，用于給鋰電池感應充電；磁屏蔽層安裝在電力接收線圈與節(jié)點鋰電池之間；外殼內和外邊呈錐形，錐形側涂有反光材料。所述外殼為透明塑料，錐形內側涂有反光材料。所述外殼錐形外側涂有反光材料。所述節(jié)點電路板包括無線電力接收管理電路、無線傳感網(wǎng)絡電路、加速度傳感器采集電路以及節(jié)點鋰電池管理電路，其安裝在磁屏蔽層下方。所述無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點上蓋、電力接收線圈、磁屏蔽層均為同心圓環(huán)形狀，圓環(huán)中心孔大小與透明塑料外殼中間圓柱通孔尺寸相配。本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明群機器人無線充電的輔助無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，采用貼地安裝的方式，節(jié)點布置簡單方便。符合群機器人活動區(qū)域的可伸縮性，覆蓋范圍可以隨時人工擴充；采用無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)，節(jié)點可以時刻廣播自己的坐標位置，機器人參照自身位姿，可以提高圖像中路標系統(tǒng)的識別率，降低因路標類似而混淆的可能性；無線傳感網(wǎng)絡可以通過群機器人進行無線電力補充，位置自標定、地圖自形成，提高了無線傳感網(wǎng)絡的自維持性與自檢錯性；標定好的位置可以直接存儲在節(jié)點中，位置數(shù)據(jù)底層分散存儲，保證了人工路標數(shù)據(jù)的一致性。同時精確的位置信息也有助于無線傳感網(wǎng)絡的成簇管理算法；無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點同時還可以為群機器人提供導航、任務分配、虛擬信息素等其他輔助功能。形成混合群動力系統(tǒng)；本發(fā)明設計的節(jié)點結構簡單、成本低廉、便于大規(guī)模生產(chǎn)制造。


圖1為本發(fā)明無線傳感節(jié)點結構 圖2為本發(fā)明無線傳感節(jié)點剖視 圖3為本發(fā)明群機器人單體示意 圖4為本發(fā)明在群機器人附近布置安裝多組無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點圖。
具體實施例方式如圖1、2所示無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點結構圖和剖視圖，包括無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點上蓋1、電力接收線圈2、磁屏蔽層3、節(jié)點電路板4、節(jié)點鋰電池5、透明塑料外殼6。無線傳感節(jié)點上蓋1，不透明，中間有沉頭螺絲孔，用于節(jié)點的地面安裝。電力接收線圈2，用于無線電力傳輸，給節(jié)點內鋰電池進行充電。其緊貼無線傳感節(jié)點上蓋I。磁屏蔽層3，用來提高無線電力傳輸效率。其安裝在電力接收線圈2與節(jié)點鋰電池5之間。節(jié)點電路板4，其上有無線電力接收管理電路、無線傳感網(wǎng)絡電路、加速度傳感器采集電路以及節(jié)點鋰電池管理電路。具有無線充電管理、無線網(wǎng)絡收發(fā)、節(jié)點振動監(jiān)測、鋰電池保護等功能。其安裝在磁屏蔽層3下方。透明塑料外殼6，中間有圓柱通孔，用于地面螺絲安裝。邊緣內、外側呈錐形，錐形內側涂有反光材料7，為防止反光對人員視覺干擾，要求無線傳感節(jié)點上蓋I略微覆蓋反光材料7。亦可外殼6不用透明塑料，外側覆蓋反光材料7，根據(jù)環(huán)境要求達到檢測的目的即可。無線傳感節(jié)點上蓋I與透明塑料外殼6應該使用強度較高的工程塑料，防止因踩踏造成無線節(jié)點的損壞。群機器人對所發(fā)明的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的使用有很多方式:下面逐一對典型應用進行說明:
I)單體機器人對節(jié)點的識別與充電維護:
如圖3群機器人單體示意圖，左側為所設計的群機器人單體10。右側為發(fā)明的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點20，其平放安裝于地面。在節(jié)點安裝時，設無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點20的空間絕對位置已知，即無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點20的空間位置已經(jīng)過標定，然后這些無線傳感節(jié)點20在空間周期性的發(fā)送自身位置信息。機器人上豎直安裝全方位反射鏡11 (曲面朝下)，透明管12，攝像頭13 (鏡頭朝上)，組成機器人的全方位視覺系統(tǒng)。攝像頭需要紅外敏感。機器人上安裝有一圈紅外發(fā)射LED14，實際為機器人一周的紅外接近測距傳感器。紅外線通過人工路標錐形反射，形成亮點，被機器人全方位視覺捕獲后，通過圖像校正、處理，分析、就可獲得無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點相對機器人的距離與方位。由于無線傳感網(wǎng)絡的位置已經(jīng)被事先標定，所以可以反推算出機器人在空間內的位置、姿態(tài)。如圖4為在群機器人附近布置安裝多組無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點圖，固定排放數(shù)個無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點20，任意機器人單體10在其中運動，都可測試機器人單體10的位置，在節(jié)點距離單體較遠時，也可以利用多個節(jié)點的無線電強度信息進行單體粗略定位。
機器人單體10外一圈紅外LED14可以將附近的節(jié)點照得很亮，易于用圖像處理進行識別，測距、測向后利用最小二乘或SLAM算法就可以得到機器人單體10的自身位置。雖然單體機器人內部有慣性導航系統(tǒng)，但是加速度計在積分一段時間后，定位精度會變低，當機器人單體10靠近一個節(jié)點后，就可以通過圖像系統(tǒng)與無線傳感系統(tǒng)獲得節(jié)點的信息，通過數(shù)據(jù)融合來修正單體機器人使用內部慣導計算出的自身空間位置。機器人底盤配有無線電力傳輸線圈，可以向無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點20的電力接收線圈發(fā)送電力。當無線傳感節(jié)點20電力不足時，可由群機器人騎在其上對無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點
20進行充電，維護整體無線網(wǎng)絡系統(tǒng)穩(wěn)定。由于群機器人數(shù)量龐大，所以對很多無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點20同時充電維護也比較容易。另外，無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點20的反光材料7層也有利于機器人充電時對其騎接定位。另外，由于節(jié)點僅邊緣具有反射層，而且上部還被無線傳感節(jié)點上蓋I遮擋，所以并不會對現(xiàn)場人員視覺干擾。而低矮的機器人又能夠利用反光來識別節(jié)點的位置。2)群機器人對節(jié)點的標定及自身定位:
人工安裝節(jié)點后，并沒有對節(jié)點的空間位置進行測量標定，可以利用群機器人對空間內節(jié)點自動標定，設原點附近的安裝節(jié)點經(jīng)過測量獲得了全局空間位置，通過群機器人單體圍繞原點移動，同時圖像測量已知位置節(jié)點與未知節(jié)點的相對距離、角度，結合已知節(jié)點的全局位置，可以通過數(shù)據(jù)融合方法獲得未知節(jié)點的位置，融合方法包括擴展kalman濾波器、粒子濾波等等。并把計算出的未知節(jié)點位置通過無線傳感網(wǎng)絡發(fā)送到相應節(jié)點中去，便實現(xiàn)了節(jié)點位置從未知到已知的轉化。以此為基礎，機器人向外擴張移動，去標定位置已知、未知邊緣的其他未知節(jié)點，直到全工作空間的節(jié)點位置都被標定為止。利用群機器人同時向各個方向標定，會加速這個過程。在本發(fā)明設計的無線節(jié)點內部有加速度傳感器，當節(jié)點松動或非法拆除時，節(jié)點內部具有感應。其可通過無線傳感網(wǎng)絡對途經(jīng)的群機器人進行通知。然后群機器人會參考其他無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的位置，利用融合算法對改變位置的節(jié)點進行重新標定。通過這樣使用，可以使本發(fā)明節(jié)點安裝簡便，不需要精確測量，群機器人在工作移動的過程中就可以對節(jié)點進行位置標定，有利于節(jié)點施工安裝的進行，并且在日常維護過程中，也容易把位置改變的節(jié)點重新標定。在數(shù)據(jù)融合的過程中，機器人也同時對自身進行定位，所以，本發(fā)明設計適合群機器人的同時定位建圖(SLAM)。3)群機器人利用節(jié)點在全工作空間導航:
群機器人的顯著特點就是成本低，這樣才能保證能大量生產(chǎn)，但是現(xiàn)實工作環(huán)境又十分復雜，例如在工業(yè)物流搬運領域使用的AGV，就采用了激光雷達作環(huán)境傳感，該種傳感器價格昂貴，所以很難為每一臺群機器人單體安裝?？梢詫θ簷C器人內少量單體安裝該類型雷達，形成探測用單體，探測單體通過雷達掃描，所得環(huán)境數(shù)據(jù)可直接用于機器人反應層控制，以保證單體的安全移動。同時，由于單體機器人可以利用節(jié)點實現(xiàn)全局定位，所以雷達掃描數(shù)據(jù)也可以被障礙柵格化，建立柵格地圖，該地圖可以用于機器人導航使用，通過路徑規(guī)劃算法尋找兩點之間的最短路徑。但是由于柵格地圖要求存儲空間巨大，單體無法存儲整個工作空間的柵格地圖，所以探測單體得以將局部柵格存儲在就近的本發(fā)明所設計的節(jié)點中，當單體機器人經(jīng)過該節(jié)點附近時，就可以從節(jié)點中調取環(huán)境柵格地圖，利用路徑規(guī)劃算法就可以實現(xiàn)在節(jié)點附近的局部導航，即從一個節(jié)點到另一個節(jié)點無碰最優(yōu)的路徑。而把空間所有節(jié)點的位置與連通信息打包，存儲成為拓撲地圖。信息由于高度抽象，全局的節(jié)點信息可以輕松的存入單體機器人，其可以作為全局路徑規(guī)劃的地圖使用。在機器人根據(jù)全局路徑從一個節(jié)點移動到另一個節(jié)點的過程中，單體與鄰近節(jié)點交互，從節(jié)點內部獲得局部空間柵格地圖，作為單體局部路徑規(guī)劃的地圖使用。當節(jié)點存儲的地圖于實際不符時，即當單體按地圖局部路徑規(guī)劃行走時無法避開障礙到達目標，可以對節(jié)點進行標記，等待探測單體過來更新節(jié)點內的局部環(huán)境地圖。綜上所述，群機器人利用本發(fā)明做全局空間導航，在群體只裝備少量激光雷達的基礎上，就可以實現(xiàn)全體機器人的全局路徑規(guī)劃，節(jié)省了整體系統(tǒng)成本開銷，利用本發(fā)明設計的節(jié)點，在群機器人的環(huán)境建模中起到了至關重要的作用。4)群機器人使用節(jié)點進行交互:
群機器人經(jīng)過節(jié)點時可以將自身狀態(tài)、目的節(jié)點、來源節(jié)點、到達時間等信息存儲在節(jié)點中，當其他機器人途徑該節(jié)點時就可以參考其他機器人的信息來作出自身的決策。
權利要求
1.一種群機器人無線充電的輔助無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，其特征在于，包括從下到上安裝的外殼(6)、節(jié)點鋰電池(5)、節(jié)點電路板(4)、磁屏蔽層(3)、電力接收線圈(2)、無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點上蓋(1)，無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點上蓋(I)中間有沉頭螺絲孔，外殼(6)中間有圓柱通孔，螺絲從上蓋通過通孔安裝固定于地面上；電力接收線圈(2)緊貼無線傳感節(jié)點上蓋(1)，用于給鋰電池感應充電；磁屏蔽層(3)安裝在電力接收線圈(2)與節(jié)點鋰電池(5)之間；外殼(6)內和外邊呈錐形，錐形側涂有反光材料(7)。
2.根據(jù)權利要求1所述群機器人無線充電的輔助無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，其特征在于，所述外殼(6)為透明塑料，錐形內側涂有反光材料(7)。
3.根據(jù)權利要求1所述群機器人無線充電的輔助無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，其特征在于，所述外殼(6)錐形外側涂有反光材料(7)。
4.根據(jù)權利要求1所述群機器人無線充電的輔助無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，其特征在于，所述節(jié)點電路板(4)包括無線電力接收管理電路、無線傳感網(wǎng)絡電路、加速度傳感器采集電路以及節(jié)點鋰電池管理電路，其安裝在磁屏蔽層(3 )下方。
5.根據(jù)權利要求1所述群機器人無線充電的輔助無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，其特征在于，所述無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點上蓋(I)、電力接收線圈(2)、磁屏蔽層(3)均為同心圓環(huán)形狀，圓環(huán)中心孔大小與透明塑料外殼(6)中間圓柱通孔尺寸相配。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種群機器人無線充電的輔助無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，包括從下到上安裝的透明塑料外殼、節(jié)點鋰電池、節(jié)點電路板、磁屏蔽層、電力接收線圈、無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點上蓋，無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點上蓋中間有沉頭螺絲孔，透明塑料外殼中間有圓柱通孔，螺絲從上蓋通過通孔安裝固定于地面上；電力接收線圈緊貼無線傳感節(jié)點上蓋，用于給鋰電池感應充電；磁屏蔽層安裝在電力接收線圈與節(jié)點鋰電池之間；透明塑料外殼外邊呈錐形，錐形內側涂有反光材料。用以輔助群機器人的定位、導航、協(xié)作。采用貼地安裝的方式，節(jié)點布置簡單方便。成本低廉、便于大規(guī)模生產(chǎn)制造。
文檔編號H02J7/00GK103117579SQ20131005208
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月18日 優(yōu)先權日2013年2月18日
發(fā)明者劉磊, 吳越鵬, 徐芳, 胥芳初, 周娟, 高巖 申請人:上海理工大學