一种面向长直廊环境的室内地图自动构建系统技术方案

本发明专利技术公开了一种面向长直廊环境的室内地图自动构建系统，包括机器人本体、视觉采集装置、自动伸缩支架、激光测距仪、控制器，其特征在于：视觉采集装置通过自动伸缩支架安装在机器人本体上，机器人本体由驱动轮、支撑轮、底板、第二层夹板、顶层夹板构成，所述的控制器通过激光测距仪采集到的深度信息判断是否进入长直廊环境，并通过视觉采集装置采集周围环境图像信息及深度信息，提高建图精度，有效解决传统建图算法中回环误检测所造成的长直廊环境下地图长度出现短缺和弯曲的问题。

An indoor map automatic building system for long corridor environment

The invention discloses a system for automatically constructing a long straight corridor oriented of the indoor environment map, including the robot, visual acquisition device, automatic telescopic bracket, laser range finder, the controller, which is characterized in that: the visual acquisition device through the automatic telescopic bracket is installed on the robot, the robot body is composed of a driving wheel, a supporting wheel, the floor, second ply, top clamping plate, wherein the controller through a laser ranging instrument for judging the depth information collected into the long straight corridor environment, and the environment image information acquisition device and depth information through visual acquisition, improve the mapping accuracy, effectively solve the traditional chart algorithm built in loop detection error caused by the long length straight corridor environment map shortage and bending problems.

【技术实现步骤摘要】
一种面向长直廊环境的室内地图自动构建系统
本专利技术涉及一种面向长直廊环境的室内地图自动构建系统。
技术介绍
室内地图自动构建技术一直是机器人自主移动导航领域的研究热点。地图自动构建技术通常需要借助机器人底盘编码器、视觉里程计和激光测距仪等数据用于判断实际的距离与大小，然而在长直廊环境场景下，由于两侧墙体相似度高，受特征点稀少、环境相似度较高等因素影响，使得现有技术并不能较为精确地完成长直廊环境下地图的构建，尤其是在长廊的长度计算上有较大误差。目前世界上几种流行的二维激光建图算法，如Gmapping、HectorSLAM等，由于二维激光数据特征较少，在长直廊环境下容易误将机器人直线运动判定为编码器里程计漂移，从而导致算法重新定位机器人位置，导致最后建立的直廊地图长度相较于真实距离短，且会出现重叠的情况。因此，如何提高长直廊场景下的建图精度，已成为目前亟需的一个问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种面向长直廊环境的室内地图自动构建系统，与传统的建图构建系统相比，本专利技术在长直廊环境下能有效提高建图精度，减少了因建图算法的回环检测误差所造成的长直廊环境下地图长度出现短缺和弯曲的问题。为解决上述问题，本专利技术采用的技术方案由机器人本体(1)、视觉采集装置(2)、自动伸缩支架(3)、激光测距仪(4)、控制器(5)组成，其特征在于，视觉采集装置(2)通过自动伸缩支架(3)安装在机器人本体(1)上，机器人本体（1）由驱动轮(11)、支撑轮(12)、底板(13)、第二层夹板(14)、顶层夹板(15)构成，控制器(5)安装在底层夹板(13)之上，激光测距仪(4)安装于第二层夹板(14)之上，机器人的底板(13)安装有直流电机(131)和编码器(132)。所述的视觉采集装置(2)由RGBD摄像头(22)、底层支撑板(23)、U型支撑架(24)、顶层支撑板(25)、单轴舵机(26)和双轴舵机(27)构成；底层支撑板(23)可通过单轴舵机(26)带动U型支撑架(24)沿偏摆方向进行360度旋转，U型支撑架(24)可通过双轴舵机(27)带动顶层支撑板(25)沿俯仰方向进行±45度旋转，顶层支撑板(25)通过安装孔固定在双轴舵机(27)上，底层支撑板(23)可以通过带齿导轨(31)固定在升降板(32)上。所述的机器人本体(1)上设有自动伸缩支架(3)，支架上设有带齿导轨(31)、升降板(32)及环形支撑架(342)，环形支撑架(342)通过安装孔固定于机器人的顶层夹板(15)之上，电机支撑架(341)通过焊接的方式固定在环形支撑架(342)上，步进电机(332)通过定位螺丝(343)固定在电机支撑架(341)上，并通过齿轮(331)啮合实现视觉采集装置(2)的升降功能，带齿导轨(31)竖直安装，通过滚动轴承(311)与环形支撑架(342)连接；两个步进电机(332)、单轴舵机(26)、双轴舵机(27)、直流电机(131)与控制器(5)的输出端连接，激光测距仪(4)、RGBD摄像头(22)和编码器(132)与控制器(5)的输入端连接，控制器(5)能够同时控制自动伸缩支架(3)和直流电机(131)，以及能够实时获取激光测距仪(4)、RGBD摄像头(22)和编码器(132)的数据。所述的控制器(5)通过激光测距仪(4)采集周围环境的深度信息，激光测距仪旋转360度共产生360个深度数据(P1，P2...Pn)及与其一一匹配的360个角度数据(A1，A2...An)，控制器(5)以机器人当前朝向为y轴正方向，建立符合右手准则的笛卡尔坐标系，将当前获得的深度数据和角度数据进行二维重建，所有的深度数据通过连接相邻数据得到n-1组线段，计算不同线段之间的夹角，若两线段夹角小于5度则判定这两条线段在同一线段组内，采用最小二乘法对采集到各信息点的位置坐标进行拟合得到线段组，并计算不同线段之间的夹角，如果两条线段相距的最小距离大于机器人本体最大宽度且倾角相差小于5度，则判定机器人进入长直廊环境。进入长直廊环境后，控制器(5)调节自动伸缩支架(3)并驱动单轴舵机(26)，通过视觉采集装置(2)采集周围环境图像信息及深度信息，采用栅格地图的方式构建整体地图，栅格最小单位为0.04m²。机器人在长直廊环境下的建图方法，包括以下步骤：步骤1:当机器人判定自身进入直廊环境后，将当前位置坐标点标为D1点，并将机器人所经过的所有栅格点按照增序标号(D1,D2...Dn)，用以检测该栅格点是否访问过，并采集里程计信息，进行长廊建图模式初始化。步骤2:RGBD摄像头(22)由机器人的前进方向为起点，通过自动伸缩支架(3)控制视觉采集装置(2)分别运动到自动伸缩支架(3)的最高点、中间点及最低点位置。步骤3:在每一个位置高度，以机器人前进方向为正方向，通过单轴舵机(26)控制RGBD摄像头(31)分别向左、向右转动45度采集图像及深度信息，共获取六组不同高度及方位的环境信息。步骤4:采用SURF算法对采集到的数据进行特征描述子提取，并进行三角化特征点匹配，结合RGBD摄像头(22)的旋转角度,将获取到的六组数据进行点云拼接，组成一个点云帧。步骤5：根据电机编码器(132)的反馈信息控制机器人从当前栅格地图D1点移动到机器人前进方向的相邻栅格地图D2点，记录下栅格偏移量为T1，栅格偏移量按照增序编号(T1,T2...Tn),再重复步骤2-4，得到第二个点云帧。步骤6:将步骤3、步骤4得到的两个点云帧进行特征描述子匹配，进行粗拼接，筛去非水平匹配特征描述子，通过ICP算法进行精细拼接，对筛选后的匹配子几何计算平均距离值，计算出步骤3、步骤4两个点云帧间机器人运动的距离，并按照增量编号(M1，M2...Mn)。步骤7:将完成建图后生成的所有栅格偏移量(T1，T2...Tn)以及计算得到的距离(M1，M2...Mn)分别计算标准偏差S1、S2，并比较二者大小，选择其中标准偏差值较小的一组数据作为建图里程计数据，修正整体构建地图。附图说明图1为系统整体示意图。图2为视觉采集装置。图3为图1中所示电机支架及带齿导轨连接部分的细节图。图4为图1中所示底盘运动系统。图5为机器人在栅格地图中运动的示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的一种实施例做进一步说明。如图1所示，本专利技术实施例中的一种面向长直廊环境的室内地图自动构建系统，包括机器人本体(1)、视觉采集装置(2)、自动伸缩支架(3)、激光测距仪(4)和控制器(5)，其中，自动伸缩支架(3)安装在机器人本体(1)顶层夹板(15)的两侧，带齿导轨(31)竖直安装，升降板(32)通过两端凹槽与带齿导轨(31)啮合实现固定；机器人可通过控制器(5)控制步进电机(332)带动齿轮(331)，通过啮合传动来驱动带齿导轨(31)，带动升降板(32)垂直于水平面运动；激光测距仪(4)安装在机器人第二层夹板(14)上，控制器(5)安装在机器人底板(13)上，环形支撑架(342)固定在机器人顶层夹板(15)上，电机支撑架(341)通过焊接方式固定在环形支架(342)前侧。本专利技术实施例中，激光测距仪(4)能够采集二维平面平面内360度范围内的距离信息，扫描频率为20Hz，探测范围为：0.15~6m；精度：±50mm；控制器(5)为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向长直廊环境的室内地图自动构建系统，包括：机器人本体(1)、视觉采集装置(2)、自动伸缩支架(3)、激光测距仪(4)、控制器(5), 其特征在于：视觉采集装置(2)通过自动伸缩支架(3)安装在机器人本体(1)上，机器人本体（1）由驱动轮(11)、支撑轮(12)、底板(13)、第二层夹板(14)、顶层夹板(15)构成，控制器(5)安装在底层夹板(13)之上，激光测距仪(4)安装于第二层夹板(14)之上，机器人的底板(13)安装有直流电机(131)和编码器(132)。

【技术特征摘要】
1.一种面向长直廊环境的室内地图自动构建系统，包括：机器人本体(1)、视觉采集装置(2)、自动伸缩支架(3)、激光测距仪(4)、控制器(5),其特征在于：视觉采集装置(2)通过自动伸缩支架(3)安装在机器人本体(1)上，机器人本体（1）由驱动轮(11)、支撑轮(12)、底板(13)、第二层夹板(14)、顶层夹板(15)构成，控制器(5)安装在底层夹板(13)之上，激光测距仪(4)安装于第二层夹板(14)之上，机器人的底板(13)安装有直流电机(131)和编码器(132)。2.根据权利要求1所述的一种面向长直廊环境的室内地图自动构建系统，其特征在于：所述的视觉采集装置(2)由RGBD摄像头(22)、底层支撑板(23)、U型支撑架(24)、顶层支撑板(25)、单轴舵机(26)和双轴舵机(27)构成；底层支撑板(23)可通过单轴舵机(26)带动U型支撑架(24)沿偏摆方向进行360度旋转，U型支撑架(24)可通过双轴舵机(27)带动顶层支撑板(25)沿俯仰方向进行±45度旋转，顶层支撑板(25)通过安装孔固定在双轴舵机(27)上，底层支撑板(23)可以通过带齿导轨(31)固定在升降板(32)上。3.根据权利要求1所述的一种面向长直廊环境的室内地图自动构建系统，其特征在于：所述的机器人本体(1)上设有自动伸缩支架(3),支架上设有带齿导轨(31)、升降板(32)及环形支撑架(342)，环形支撑架(342)通过安装孔固定于机器人的顶层夹板(15)之上，电机支撑架(341)通过焊接的方式固定在环形支撑架(342)上,步进电机(332)通过定位螺丝(343)固定在电机支撑架(341)上,并通过齿轮(331)啮合实现视觉采集装置(2)的升降功能，带齿导轨(31)竖直安装，通过滚动轴承(311)与环形支撑架(342)连接。4.根据权利要求1所述的一种面向长直廊环境的室内地图自动构建系统，其特征在于：所述的控制器(5)通过激光测距仪(4)采集周围环境的深度信息，采用最小二乘法对采集到各信息点的位置坐标进行拟合得到线段组，并计算不同线段...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨亮，田丰溥，
申请(专利权)人：电子科技大学中山学院，
类型：发明
国别省市：广东,44