多传感器移动平台及基于已知地图的导航与避障方法技术

技术编号:19690055 阅读:22 留言:0更新日期:2018-12-08 10:43
本发明专利技术公开了一种多传感器移动平台及基于已知地图的导航与避障方法,该移动平台采用四全向轮驱动结构,嵌入式主控板通过融合电机编码器、二维激光雷达和深度摄像头等传感器数据,实现环境感知。本发明专利技术的导航与避障方法,利用既有或新生二维环境地图,通过编码器获取位移增量作为快速参考定位,利用二维激光雷达扫描设定水平面环境轮廓信息,实现移动平台在二维环境地图上的精确定位;为弥补二维激光雷达只能扫描特定水平面轮廓信息的局限,融合深度摄像头,用于获取前方视场内物体的高度信息;移动平台定位后先在地图上规划全局静态路径,运行中不断设定阶段目标,根据实时定位与障碍物探测,通过规划实时动态路径来纠正运行偏差和实现绕行避障。

【技术实现步骤摘要】
多传感器移动平台及基于已知地图的导航与避障方法
本专利技术涉及智能机器人
,具体涉及一种多传感器移动平台及基于已知地图的导航与避障方法。
技术介绍
既定轨道的移动机器人,无论是通过磁条、色带还是二维码、反光板,由于其工作原理需要人为预先在环境提供反馈信息,因此其工作过程对环境依赖大,甚至需要对环境进行改造,铺设、规划时间长,使用成本高,柔性化相对较差;而且,既定轨道也同时约束了机器人的运动空间,当轨道出现障碍物,则无法运行,需要人为干预。因此,现有的大部分方案产品已经越来越难以满足市场需求,无论是在制造业还是物流、服务领域。移动机器人适应动态环境,以最快计算速度、实现最优路径规划,进行自主导航与避障,成为亟待解决的智能物流关键问题。当今计算机集成系统技术和视觉算法的发展,以及先进传感设备的快速更新和低成本化,极大地促进了智能移动机器人的发展,也为移动机器人的定位导航摆脱传统约束提供可能。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了更方便快捷地实现移动机器人的自主定位、导航与避障,提供一种可自主定位、导航与避障的多传感器移动平台,并在此基础上提出一种高效的、基于已知地图的动态空间定位、导航与避障方法。本专利技术的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到:一种利用已知二维地图进行室内环境导航与避障的多传感器移动平台,包括具有全向移动和转动能力的平台本体,处理数据信号的高速嵌入式主控板,水平扫描环境轮廓然后所得信息用于实现移动平台精确定位的二维激光雷达,识别立体障碍物然后所得信息用于指导避障绕行的深度摄像头,以及构建无线网络并用于远程监测和控制的组网通讯设备。所述的具有全向移动和转动能力的平台本体由4个独立驱动的麦克纳姆轮组(或2个独立驱动的差速轮与1~2个被动轮组成的轮组)及电机、电机驱动器、防撞触边、电池构成;所述每个独立驱动的轮由1个电机驱动;所述的电机配置编码器,用于实时获取电机的转动角度增量,并以高频率发送给电机驱动器;所述的电机驱动器是一个集成式的,其接收各个编码器信息,通过线性运动原理计算得到移动平台中心的位移增量,发送给嵌入式主控板,同时接收主控板的运动参数指令并转化为控制各个电机的脉冲信号,发送给各个电机;所述的嵌入式主控板用于实时获取二维激光雷达和深度摄像头的采集数据,以及来自电机驱动器的位移增量,进而高速计算得到移动平台的位置信息并规划避障导航路径,并向电机驱动器发送运动速度指令;防撞触边用于保护移动平台遭受撞击;电池用于移动平台运行供电。二维地图为二值地图,每一像素的值0或1代表该像素所描述的空间是否有实体占据;该地图可以事先人为设计或测量、按比例绘制,也可以由本移动平台或其他智能移动设备探测现场而自动生成。二维激光雷达水平安装在移动平台本体前方的支架或壳体上,随着移动平台行进而扫描其周围一定高度平面的环境轮廓,所得信息实时传输给嵌入式主控板;若移动平台上携带货物高于二维激光雷达扫描平面,则屏蔽移动平台正后方正负45°的信息,以免将携载货物误认为外部障碍物;嵌入式主控板根据二维激光雷达扫描信息,与二维环境地图进行比较确定移动平台的精确位置,并用于运行中的导航与避障。深度摄像头,安装在平台本体前方的支架中部,使其光轴水平,随移动平台行进深度摄像头获取前方视场内的动态图像(以灰度表示的深度图像),所得信息实时传输给嵌入式主控板;通过已知的安装位姿,摄像头坐标系下的深度图像可转换为大地坐标系下的三维点云数据;滤除基础地面噪声后,保留所需高度信息,并将点云向水平面投影,得到视场中障碍物的投影最大轮廓;嵌入式主控板根据这样的三维立体障碍信息,可以更确切、可靠地进行避障导航规划。本专利技术的另一个目的可以通过采取如下技术方案达到:一种基于已知地图的导航与避障方法,所述的方法包括下列步骤:A、嵌入式主控板在二维地图上确定目的地,启动二维激光雷达和深度摄像头,执行定位流程,获得移动平台当前的精确位置;B、把定位点作为起点,目的地作为终点,规划从起点到终点的全局静态路径;C、判断当前位置是否为目的地,若是则执行步骤J,否则在全局静态路径上,选取移动平台当前位置前方特定距离的点作为阶段目标点;D、判断是否到达阶段目标点:若是则执行步骤C,否则执行步骤E;E、判断是否在全局静态路径上,若是则执行步骤F,否则执行步骤I;F、当前运行路径上是否出现障碍物,若是则执行步骤H,否则执行步骤G;G、移动平台按照全局静态路径运行,运行一段时间后执行定位流程,并跳转步骤D;H、通过深度摄像头和二维激光雷达获取障碍物的轮廓信息,并补充、更新到地图中,重新设置阶段目标,执行性步骤I;I、以阶段目标规划实时路径,纠正运行偏差,并在有障碍物的情况提供绕行路径;移动平台按照实时路径运行一段时间后,执行定位流程并跳转步骤D;J、完成导航任务,嵌入式主控板制动所有电机,关闭深度摄像头和二维激光雷达,并进入待机状态,等待新的呼叫信号到来或者关闭多传感器移动平台。上述导航流程中提及的定位流程,如图5所示。导航过程中,每当嵌入式主控板调用定位功能时,其具体执行流程如下:a、嵌入式主控板将来自电机驱动器的位移增量与最新定位合成,作为移动平台参考定位,并在地图上标识出来;b、把二维激光雷达数据在参考位置中表示;c、将二维地图上表示出的二维激光雷达数据与该区域内的地图障碍物轮廓信息比较匹配:若满足匹配,执行步骤e,否则执行d步骤;d、在二维地图上,将参考位置的临近位置作为新的参考位置,并执行步骤b;e、将当前参考位置作为移动平台的精确位置,并清除不满足要求的参考位置;本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果:(1)不依赖外部的导航辅助设施,无需预定运行路径,移动平台能够完全自主实现定位、导航和避障,具有高柔性、拓展性和移植性;(2)移动平台能够自主根据地图进行导航路径规划和行走或转动,若遇障碍物不是被动地停止运行、等待人工去除障碍物,而可自主根据现场实际可行空间进行局部绕障路径规划并运行,无需人工干预;(3)绝大部分车间、仓库等应用场地都原有平面设计/布置图,本专利技术可以利用这些原有平面设计/布置图作为基础,只需将之置于二维坐标系中并二值化(有无实体占位的点分别赋值1和0),就可用作移动平台的定位和路径规划依据以及动态障碍判断依据,保证地图精度和简化地图生成过程;(4)编码器、二维激光雷达、深度摄像头等多传感器定位数据融合,综合各传感器优势(编码器合成的位移增量数据客观但可能受地面与车轮摩擦系数变化影响、二维激光雷达有足够大的水平视角全方位扫描,但可能受某些反光和透明表面影响且缺失不同高度环境轮廓信息,而编码器合成的位移增量和深度摄像头摄取的信息可补充之),使自主定位精度更高和避障更可靠;(5)对比单一的二维激光雷达定位方法,本专利技术中采用位移增量预估定位为多传感器数据精确定位提供一个有效的参考值,在融合定位数据与地图匹配比较时,能快速找到匹配区域而不必遍历全地图区域细找匹配点,从而加快定位计算;(6)对比单一的路径规划方法,本专利技术在全局静态路径规划的基础上,提出对阶段目标的动态实时路径规划思想,避免每一次静态路径上遇到障碍物时重新规划路径,都需要遍历起点到终点的空间,甚至遍历整张地图进行计算;只需要规划从当前位置到阶段目标的实时动态路径,从而加快避障路径本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多传感器移动平台,其特征在于,所述的多传感器移动平台包括可全向运动的平台本体、处理数据信号的嵌入式主控板、水平扫描环境轮廓然后所得信息用于实现移动平台精确定位的二维激光雷达、识别立体障碍物然后所得信息用于指导避障绕行的深度摄像头、用于给移动平台供电的电池、以及构建无线网络并用于远程监测和控制的组网通讯设备;所述的二维激光雷达水平安装在平台本体前方的支架上;所述的深度摄像头安装在平台本体前方的支架中部,使其光轴水平;所述的可全向运动的平台本体包括1个电机驱动器和4个独立驱动的麦克纳姆轮组或2个独立驱动的差速轮与1~2个被动轮组成的轮组,每个独立驱动的轮由1个电机驱动;所述的电机配置编码器,用于实时获取电机的转动角度增量,并以高频率发送给电机驱动器;所述的电机驱动器接收各个编码器信息,通过线性运动原理计算得到移动平台中心的位移增量,发送给嵌入式主控板,同时接收嵌入式主控板的运动参数指令并转化为控制各个电机的脉冲信号,发送给各个电机;所述的嵌入式主控板用于实时获取二维激光雷达和深度摄像头的采集数据,以及来自电机驱动器的位移增量,进而高速计算得到移动平台的位置信息并规划避障导航路径,并向电机驱动器发送运动速度指令。...

【技术特征摘要】
1.一种多传感器移动平台,其特征在于,所述的多传感器移动平台包括可全向运动的平台本体、处理数据信号的嵌入式主控板、水平扫描环境轮廓然后所得信息用于实现移动平台精确定位的二维激光雷达、识别立体障碍物然后所得信息用于指导避障绕行的深度摄像头、用于给移动平台供电的电池、以及构建无线网络并用于远程监测和控制的组网通讯设备;所述的二维激光雷达水平安装在平台本体前方的支架上;所述的深度摄像头安装在平台本体前方的支架中部,使其光轴水平;所述的可全向运动的平台本体包括1个电机驱动器和4个独立驱动的麦克纳姆轮组或2个独立驱动的差速轮与1~2个被动轮组成的轮组,每个独立驱动的轮由1个电机驱动;所述的电机配置编码器,用于实时获取电机的转动角度增量,并以高频率发送给电机驱动器;所述的电机驱动器接收各个编码器信息,通过线性运动原理计算得到移动平台中心的位移增量,发送给嵌入式主控板,同时接收嵌入式主控板的运动参数指令并转化为控制各个电机的脉冲信号,发送给各个电机;所述的嵌入式主控板用于实时获取二维激光雷达和深度摄像头的采集数据,以及来自电机驱动器的位移增量,进而高速计算得到移动平台的位置信息并规划避障导航路径,并向电机驱动器发送运动速度指令。2.根据权利要求1所述的多传感器移动平台,其特征在于,所述的可全向运动的平台本体还包括防撞触边,分别安装在平台本体的前端和后端,防撞触边采用接触式传感器,当触碰外物,外力作用到连接杆上,触发IO信号发送到电机驱动器,电机驱动器触发优先级高于协议通信的制动指令立即制动所有电机。3.根据权利要求1所述的多传感器移动平台,其特征在于,所述的多传感器移动平台运行中,各编码器实时获取各电机的转动信息,并以高频率发送给集成式电机驱动器;电机驱动器接收编码器信息,高频获取各编码器的角度增量,进而通过每个独立驱动的麦克纳姆轮组或差速轮中万向轮的安装位置尺寸和线性运动原理,计算得到移动平台中心的位移增量,发送给嵌入式主控板;嵌入式主控板将运动速度参数,转化为运动速度指令,发送给电机驱动器;电机驱动器获得移动平台整体速度参数后,通过线性分解得到各个电机的转速参数,据此发送特定的脉冲信号给各对应的电机,驱动电机工作,从而实现全向运动控制。4.根据权利要求1所述的多传感器移动平台,其特征在于,所述的二维激光雷达中内部探头高速旋转,以时间飞行法高频测量安装高度水平面环境轮廓距离数据,每个旋转周期反馈单圈扫描数据给嵌入式主控板,若移动平台上携带货物高于二维激光雷达扫描平面,则屏蔽移动平台上及正后方正负45°的信息,以免将携载货物误认为外部障碍物;所述的深度摄像头基于三角测距原理,获取前方区域动态视场内的面阵深度信息,发送给嵌入式主控板。5.根据权利要求1所述的多传感器移动平台,其特征在于,所述的嵌入...

【专利技术属性】
技术研发人员:全燕鸣陈健武马磊
申请(专利权)人:华南理工大学
类型:发明
国别省市:广东,44

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