一种移动设备的激光主动式导航系统及导航方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及导航技术领域，特别是指一种移动设备的激光主动式导航系统及导航 方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，在大多数移动设备的运行中，导航系统作为移动设备自主行驶的核心，对 移动设备的安全行驶，具有重要意义。同时，由于激光具有定向发光、光束集中和亮度高等 特点，结合规划的路径，使得采用多个导航基站联合进行激光主动式导航，确保移动设备的 安全、精确的自主行驶。
[0003] 现有的导航技术包括：绝对式导航与相对式导航以及两者综合的即时定位与地 图构建（simultaneouslocalizationandmapping，SLAM)技术等，其中以相对式导航 技术发展的较为成熟。现有技术公开了一种采用地下潜行时采用捷联式惯性导航系统 (strap-downinertialnavigationsystem，SINS) / 多普勒计程仪（DopplerVelocity Log，DVL)组合导航、同时定期上浮引入全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS) 信息进行卡尔曼滤波融合的新型组合导航方法；还公开了一种通过以激光扫描仪为检测设 备对果树位置信息实时采集，规划车辆导航路径，实现了果园机械的自动导航方法。但是， 上述现有的导航技术仅能适用于室外环境，或者需要结合室外环境，应用场所具有局限性； 且仅能利用激光设备（例如，激光测距仪）进行定位信息处理，不能以其来直接引导移动设 备的行驶。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种移动设备的激光主动式导航系统及导航方 法，以解决现有技术所存在的导航技术的应用场所具有局限性，且不能直接引导移动设备 进行行驶的问题。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种移动设备的激光主动式导航系统， 包括：激光导航基站、上位机和安装在移动设备上的导航偏差传感器；所述导航偏差传感 器包括：接收屏；所述激光导航基站包括：激光测距仪；
[0006] 所述导航偏差传感器，用于确定激光测距仪射在接收屏上的激光点的位置相对于 接收屏正中心的偏差信息；
[0007] 所述上位机，用于根据所述偏差信息，修正移动设备的行驶方向；
[0008] 所述激光导航基站，用于根据所述偏差信息及预先存储在所述激光导航基站中的 规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机转角的映射关系，对移动设备进行 主动式导航。
[0009] 可选地，所述偏差信息包括：激光点位于接收屏的中心，激光点位于接收屏的左 侦牝激光点位于接收屏的右侧；
[0010] 当激光点位于接收屏的中心时，移动设备的行驶方向与规划路径一致，由所述上 位机控制移动设备保持当前状态行走；
[0011] 当激光点位于接收屏的左侧时，移动设备的行驶方向在规划路径右侧，由所述上 位机控制移动设备向左旋转消除激光点相对于接收屏正中心的偏差信息；
[0012] 当激光点位于接收屏的右侧时，移动设备的行驶方向在规划路径左侧，由所述上 位机控制移动设备向右旋转消除激光点相对于接收屏正中心的偏差信息。
[0013] 可选地，所述激光导航基站还包括：水平轴伺服电机，垂直轴伺服电机及基站电气 柜；
[0014] 所述激光导航基站，用于根据所述偏差信息及预先存储在激光导航基站中的规划 路径的轨迹点与水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机转角的映射关系，利用激光直线插补引 导方式，通过基站电气柜发出控制指令驱动水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机带动激光测 距仪进行旋转对移动设备进行主动式导航，引导移动设备完成规划路径的复现动作；
[0015] 所述激光直线插补引导方式包括：
[0016] 步骤1，根据规划路径，获取移动设备所要到达的下一规划目标位置B，B为规划 路径中的轨迹点，并结合移动设备所处位置A、激光导航基站所处位置C三点位置的坐标信 息，确定向量AB，AB向量方向为移动设备的行驶方向；
[0017] 步骤2,将所述A、B、C三点位置的坐标信息，移动设备当前的行驶速度及其前一时 刻位置坐标信息，代入行驶运动学模型，确定激光导航基站水平伺服电机的偏转角ZAfA:
[0018]
【主权项】
1. 一种移动设备的激光主动式导航系统，其特征在于，包括：激光导航基站、上位机和 安装在移动设备上的导航偏差传感器；所述导航偏差传感器包括：接收屏；所述激光导航 基站包括：激光测距仪； 所述导航偏差传感器，用于确定激光测距仪射在接收屏上的激光点的位置相对于接收 屏正中心的偏差信息； 所述上位机，用于根据所述偏差信息，修正移动设备的行驶方向； 所述激光导航基站，用于根据所述偏差信息及预先存储在所述激光导航基站中的规划 路径的轨迹点与水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机转角的映射关系，对移动设备进行主动 式导航。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述偏差信息包括：激光点位于接收屏的 中心，激光点位于接收屏的左侧，激光点位于接收屏的右侧； 当激光点位于接收屏的中心时，移动设备的行驶方向与规划路径一致，由所述上位机 控制移动设备保持当前状态行走； 当激光点位于接收屏的左侧时，移动设备的行驶方向在规划路径右侧，由所述上位机 控制移动设备向左旋转消除激光点相对于接收屏正中心的偏差信息； 当激光点位于接收屏的右侧时，移动设备的行驶方向在规划路径左侧，由所述上位机 控制移动设备向右旋转消除激光点相对于接收屏正中心的偏差信息。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光导航基站还包括：水平轴伺服电 机，垂直轴伺服电机及基站电气柜； 所述激光导航基站，用于根据所述偏差信息及预先存储在激光导航基站中的规划路径 的轨迹点与水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机转角的映射关系，利用激光直线插补引导方 式，通过基站电气柜发出控制指令驱动水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机带动激光测距仪 进行旋转对移动设备进行主动式导航，引导移动设备完成规划路径的复现动作； 所述激光直线插补引导方式包括： 步骤1，根据规划路径，获取移动设备所要到达的下一规划目标位置B，B为规划路径中 的轨迹点，并结合移动设备所处位置A、激光导航基站所处位置C三点位置的坐标信息，确 定向量AB，AB向量方向为移动设备的行驶方向； 步骤2,将所述A、B、C三点位置的坐标信息，移动设备当前的行驶速度及其前一时刻位 置坐标信息，代入行驶运动学模型，确定激光导航基站水平伺服电机的偏转角Z A1CA :
其中，4为激光测距仪发出的激光束应当指向接收屏上的的位置； 步骤3,根据所述偏转角Z A1CA,驱动水平伺服电机旋转指定的角度，旋转完成后，更新 A点坐标，返回步骤1，直至引导移动设备完成规划路径的复现动作。
4. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，当移动设备作匀速直线运动或匀速圆周 运动时，激光导航基站水平伺服电机的偏转角Z Ln+1CLn:
其中，C为激光导航基站所处位置，Ln为接收屏中心处于AJt，激光测距仪发出的激光 束应当指向接收屏上的位置，Ln+1为接收屏中心处于An+1时，激光测距仪发出的激光束应当 指向接收屏上的位置，接收屏中心依次经过A n_2, AlrilAyAlrt为移动设备保持当前状态行走， Λt时间激光测距仪测量时的移动设备位置。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导航偏差传感器还包括：相机、视频 处理器及箱体； 所述箱体，一面用于安装所述接收屏，并在其对面安装所述相机； 所述相机，用于采集激光测距仪发出的激光束射在相机CCD感光元件上的成像信息； 所述视频处理器，用于根据相机传回的成像信息，检测出激光点，并确定该激光点与接 收屏中心的偏差信息，并将该偏差信息发送至所述上位机。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水平轴伺服电机和垂直轴伺服电机 的旋转方向为正交，通过水平轴伺服电机和垂直轴伺服电机的旋转带动激光测距仪进行旋 转使其发出的激光束通过水平轴伺服电机和垂直轴伺服电机的直径。
7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基站电气柜包括：运动控制器、驱动 器、无线通信转接板、电源模块； 所述电源模块，用于为基站电气柜提供电源； 无线通信转接板，用于与导航偏差传感器进行通信，获取接收屏上的激光点的位置相 对于接收屏正中心的偏差信息； 所述运动控制器，用于根据所述偏差信息，发出控制指令驱动驱动器带动水平轴伺服 电机和垂直轴伺服电机进行旋转。
8. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，预先在移动设备的工作场地确定坐标原 点建立系统坐标系，在系统坐标系内测量所述激光导航基站的坐标及激光测距仪发出的激 光束初始的水平转角及俯仰转角。
9. 一种移动设备的激光主动式导航方法，其特征在于，包括： 通过导航偏差传感器确定激光测距仪射在导航偏差传感器的接收屏上的激光点的位 置相对于接收屏正中心的偏差信息； 根据所述偏差信息，通过上位机修正移动设备的行驶方向； 根据所述偏差信息及规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机转角的 映射关系，通过基站电气柜驱动水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机带动激光测距仪进行旋 转对移动设备进行主动式导航，引导移动设备完成规划路径的复现动作。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述引导移动设备完成规划路径的复现 动作包括： 利用激光直线插补引导方式引导移动设备完成规划路径的复现动作； 所述激光直线插补引导方式包括： 步骤1，根据规划路径，获取移动设备所要到达的下一规划目标位置B，B为规划路径中 的轨迹点，并结合移动设备所处位置A、激光导航基站所处位置C三点位置的坐标信息，确 定向量AB，AB向量方向为移动设备的行驶方向； 步骤2,将所述A、B、C三点位置的坐标信息，移动设备当前的行驶速度及其前一时刻位 置坐标信息，代入行驶运动学模型，确定激光导航基站水平伺服电机的偏转角Z A1CA :
其中，4为激光测距仪发出的激光束应当指向接收屏上的的位置； 步骤3,根据所述偏转角Z A1CA,驱动水平伺服电机旋转指定的角度，旋转完成后，更新 A点坐标为B，返回步骤1，直至引导移动设备完成规划路径的复现动作。
【专利摘要】本发明提供一种移动设备的激光主动式导航系统及导航方法，有助于扩大应用场所。所述系统包括：激光导航基站、上位机和安装在移动设备上的导航偏差传感器；所述导航偏差传感器包括：接收屏；所述激光导航基站包括：激光测距仪；所述导航偏差传感器，用于确定激光测距仪射在接收屏上的激光点的位置相对于接收屏正中心的偏差信息；所述上位机，用于根据所述偏差信息，修正移动设备的行驶方向；所述激光导航基站，用于根据所述偏差信息及预先存储在所述激光导航基站中的规划路径的轨迹点与水平轴伺服电机及垂直轴伺服电机转角的映射关系，对移动设备进行主动式导航。本发明适用于导航技术领域。
【IPC分类】G05D1-10
【公开号】CN104750115
【申请号】CN201510166819
【发明人】刘立, 孟宇, 张玉振, 仇百良, 王鹏, 张维存, 白佳宾
【申请人】北京科技大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年4月9日