一种基于激光滤波的移动机器人室内定位方法技术

本发明专利技术提出一种基于激光滤波的移动机器人室内定位方法。激光传感器发射的扫描激光与地面具有的大小为θ的夹角；将激光传感器测得的机器人与墙壁之间的距离乘以cosθ获得机器人与墙壁之间的实际距离；根据机器人与墙壁之间的实际距离完成机器人室内定位，将大于d且小于最大有效测距距离d2的测距数据作为有效测距数据，剔除其他测距数据，将有效测距数据乘以cosθ获得机器人与墙壁之间的实际距离；将激光传感器测距数据转换为平面距离后，使用HectorSLAM方法进行机器人定位。本发明专利技术定位导航精度高，具有较高的适应性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光滤波的移动机器人室内定位方法
本专利技术属于机器人导航
，具体涉及一种基于激光滤波的移动机器人室内定位方法。
技术介绍
随着机器人、智能设备在生活、生产中的广泛应用，人们对于其要求也越来越高，实现自主定位和导航是移动机器人基本要求和核心技术。其中定位问题一直是机器人研究的重点和难点，而室内定位由于无法使用GPS，存在非结构化环境特征，定位精度要求较高等特点和限制，给机器人定位提出了更高的要求。传统的机器人室内定位方法主要包括自包含传感器定位，如惯性导航定位，里程计航迹推算定位；人工轨迹定位，如磁导轨定位，红外巡线定位；无线定位，如超声波定位，WLAN定位；扫描匹配定位，如激光定位和其他定位方法，如视觉定位等。这些方法都存在一些缺陷，难以直接运用于室内定位。自包含的传感器通常会存在累积误差的问题。人工轨迹定位需要人工铺设或绘制轨迹，路径单一且影响美观。无线定位通常需要设置发射源或接收器作为参考，且会存在多路径效应或信号不稳定等情况。扫描匹配受环境特征影响较大，例如，目前的激光定位通常只能实现静态环境下的定位，当室内存在可移动的障碍物时吗，例如存在移动的人时，传统的激光定位会存在误匹配的可能，导致无法正确定位。视觉方法受光线等因素影响较大，且精度和效率都相对较低。特别是在存在半结构化特征的环境中，如餐厅等，更是增加了定位的难度，使得一些传统的定位方法难以适用。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于激光滤波的移动机器人室内定位方法，室内定位导航精度高，具有较高的适应性和稳定性。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于激光滤波的移动机器人室内定位方法，激光传感器发射的扫描激光与地面具有的大小为θ的夹角；将激光传感器测得的机器人与墙壁之间的距离乘以cosθ获得机器人与墙壁之间的实际距离；根据机器人与墙壁之间的实际距离完成机器人室内定位。进一步，假设避障距离为d、室内墙壁高度为h1，移动障碍物的最大高度为h2，激光传感器的最大有效测距距离为d2，则通过求解以下方程组来获得激光传感器的安装高度x，避障距离d是指当激光传感器测得的移动物体与机器人之间的实际距离小于d时，则认为该物体为障碍物。进一步，将大于d且小于d2的测距数据作为有效测距数据，剔除其他测距数据，将有效测距数据乘以cosθ获得机器人与墙壁之间的实际距离。进一步，将激光传感器测距数据转换为平面距离后，使用HectorSLAM方法进行机器人定位。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本专利技术所述的基于激光滤波的室内定位方法不需要另外在室内铺设磁导轨或放置超声波发射器等辅助设备，通用性更强，灵活性更高。(2)传统定位通常只能实现静态环境下的定位。本专利技术所述的基于激光滤波的室内定位方法通过结构设计和对激光测距数据的滤波与处理，将室内智能服务机器人的定位问题转换为静态环境下的定位问题。从而使得在人机共融的动态环境下，也能实现自主定位。附图说明图1为本发所述基于激光滤波的机器人室内定位方法流程图；图2为本专利技术实施例所述的基于激光滤波的室内定位方法的激光照射模型。图3为本专利技术实施例所述的基于激光滤波的室内定位方法的激光照射具体数据假设模型。具体实施方式容易理解，依据本专利技术的技术方案，在不变更本专利技术的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本专利技术基于激光滤波的移动机器人室内定位方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本专利技术的技术方案的示例性说明，而不应当视为本专利技术的全部或者视为对本专利技术技术方案的限制或限定。结合附图，在使用激光传感器测量机器人与墙壁距离的时候，结合室内的半结构化环境，使激光向上斜射而不是平射，使得扫描激光掠过移动的人等移动障碍物而受移动障碍物的遮挡，激光扫描点可以直达墙面并获得达较高的扫描点位置，从而减少行人等具有动态特征的障碍物的干扰；此时，激光传感器发射的扫描激光与地面的夹角即为激光斜射角度θ，由于扫描激光与地面存在夹角θ而不是水平，故本专利技术称之为激光斜射。激光器传感器安装在机器人上，在激光测距时，考虑到室内的墙壁在不同高度上的特征是相同的，即激光扫描点在不同高度获得的测距数据的投影距离是相同的，所以可以投影到一个二维平面上。假设机器人避障距离为d、室内墙壁高度为h1，行人或其他移动物体的最大高度为h2，激光传感器的最大测距距离为d2，则可以获得以下联立方程组：需要说明的是，避障距离d是指当室内物体与机器人之间的水平向距离小于d时，则认为该物体为障碍物。根据上述联立方程组，在知道避障距离d、室内墙壁高度h1、行人或其他移动物体的最大高度h2、激光传感器有效的测距距离为d2(即最大测距距离)的前提下，可以获得激光传感器的安装高度x以及激光斜射角度θ。将激光斜射下测量获得的机器人与墙壁之间的测距数据投影到水平面上，即可以获得机器人至墙面的真实水平距离，即实际距离，从而可以用于完成室内机器人的定位。也即将激光斜射下测量获得的机器人与墙壁之间的测距数据乘以cosθ即可获得机器人与墙壁之间的实际距离。为了提高准确度，需要对激光斜射下的测距数据进行滤波，剔除无效数据。具体为，将大于dsinθ且小于激光传感器测距距离d2的测距数据作为有效测距数据，其他测距数据剔除。通过滤波处理，激光斜射时，将激光扫描点将比一般行人高度高的、但不超过房顶(墙壁)高度的测距数据作为有效测距数据。本专利技术中，将激光斜射数据进行滤波与处理，将斜射测距数据转换为平面激光测距数据，即将室内智能服务机器人的定位问题转换为静态环境下的定位问题。将斜射测距距离转换为平面距离后，利用现有的二维平面激光定位方法，如HectorSLAM方法即可实现室内机器人定位。此时，在仅依靠激光数据的情况下，得到较高的定位和构图精度，然后通过与里程计数据的融合，可以减少误匹配和动态特征干扰，增强定位的鲁棒性。实施例国内室内的净高高度一般在2.4～3m左右，国内餐厅的净高高度一般在2.7～3m或者更高，国务院新闻办2015年《中国居民营养与慢性病状况报告》显示成年男性平均身高为167.1m；根据所获得的数据资料，即可以设计激光传感器的摆放高度x为1.6m，并且要求能在水平距离为0.7m的距离下，避开身高1.75m以上的行人。限定激光的最高照射高度为2.65m，考虑到所选三维激光传感器的垂直视角，就能计算选择激光倾斜角θ为13°。将距离小于0.72m和大于4.72m的激光数据设为无效数据，其余为有效数据，因为小于0.72m即垂直高度小于1.76m，不能避开要求的1.76m身高的行人；而大于4.72m则最高照射高度超过激光设定的最高照射高度2.65m。激光照射模型如图2所示。将得到的有效测距数据乘以长度在平面的投影cos13°＝0.974作为实际距离，通过对激光数据进行滤波和处理，即可将斜射数据转换为平面激光数据，完成室内机器人的定位。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光滤波的移动机器人室内定位方法，其特征在于，激光传感器发射的扫描激光与地面具有大小为θ的夹角；将激光传感器测得的机器人与墙壁之间的距离乘以cosθ获得机器人与墙壁之间的实际距离；根据机器人与墙壁之间的实际距离完成机器人室内定位。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光滤波的移动机器人室内定位方法，其特征在于，激光传感器发射的扫描激光与地面具有大小为θ的夹角；将激光传感器测得的机器人与墙壁之间的距离乘以cosθ获得机器人与墙壁之间的实际距离；根据机器人与墙壁之间的实际距离完成机器人室内定位。2.如权利要求1所述的基于激光滤波的移动机器人室内定位方法，其特征在于，假设避障距离为d、室内墙壁高度为h1，移动障碍物的最大高度为h2，激光传感器的测距距离为d2，则通过求解以下方程组来获得激光传感器的安装...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭健，钱抒婷，朱禹璇，李胜，吴益飞，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32