一种激光扫描式室内地图生成和更新装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种激光扫描式室内地图生成和更新装置及方法，包括运动机器人以及安装在运动机器人上的激光雷达，所述激光雷达安装在运动机器人的顶部，所述运动机器人内安装有编码器及中央处理器芯片，激光雷达与中央处理器芯片相连接，所述运动机器人上还安装有信号天线，运动机器人通过信号天线与主控计算机通信连接，所述激光雷达用以对室内环境进行扫描并将扫描得到的离散点数据信息传输到中央处理器芯片，本发明专利技术充分利用激光雷达获取数据速度快而精确的特点，能够快速而精确的进行室内地图生成和更新。

A device and method for generating and updating the laser scanning indoor map

The invention provides a laser scanning type indoor map generation and updating device and method, including the movement of the robot and installed in the movement of the robot on the top of the laser radar, laser radar mounted on the robot, the robot is installed in the encoder and the central processor chip, laser radar and the central processor is connected. The movement of the robot is also provided with a signal antenna, antenna and signal through the movement of the robot main control computer communication connection, the laser radar for indoor environment scanning and scanning the discrete point data transmission to the central processor chip, the invention makes full use of laser radar data quickly and accurately. Can fast and accurate indoor map generation and update.

【技术实现步骤摘要】
一种激光扫描式室内地图生成和更新装置及方法
本专利技术涉及室内地图建模领域，具体是一种激光扫描式室内地图生成和更新装置及方法。
技术介绍
地图创建是运动机器人领域中的一个基本问题，环境地图在运动机器人导航定位和路径规划中起到很重要的作用。要实现运动机器人的自主导航，最重要的是通过定位来获得机器人在环境中的准确位姿。根据先验地图进行运动机器人定位和自主导航得到广泛应用，但实际环境往往不能提供准确的先验地图，这给运动机器人的自主导航带来很大的问题。因此，运动机器人在未知环境中的定位和地图构建成为运动机器人研究领域的一个热点问题。目前运动机器人常用的地图表示方法有二种，一是占据网格法，用每一个网格被占据的概率值来表示环境信息，但网格地图的精确度不高。二是基于几何的表示方法，利用线段、弧线来表示环境信息。几何地图信息存储量小，可以直接应用在运动机器人的导航和路径规划上。但是，现有利用红外和声呐等传感器生成的几何地图精度小，生成几何地图的耗时长。激光雷达和红外、声纳等传感器相比，获取数据速度快而精确。因此，利用激光雷达数据做出的地图具有很高的精确度。
技术实现思路
本专利技术根据现有技术的不足提供一种激光扫描式室内地图生成和更新装置及方法，充分利用激光雷达获取数据速度快而精确的特点，能够快速而精确的进行室内地图生成和更新。本专利技术的技术方案：一种激光扫描式室内地图生成和更新装置，包括运动机器人以及安装在运动机器人上的激光雷达，所述激光雷达安装在运动机器人的顶部，所述运动机器人内安装有编码器及中央处理器芯片，激光雷达与中央处理器芯片相连接，所述运动机器人上还安装有信号天线，运动机器人通过信号天线与主控计算机通信连接，所述激光雷达用以对室内环境进行扫描并将扫描得到的离散点数据信息传输到中央处理器芯片，所述编码器用于测量运动机器人的运动信息并将其传输到中央处理器芯片，所述中央处理器芯片对激光雷达采集的离散数据点信息以及编码器测量的运动机器人运动信息进行处理后得到运动机器人相应位置下的局部地图，所述信号天线用于运动机器人和主控计算机的通信连接，中央处理器芯片通过信号天线将处理得到的局部地图传输到主控计算机并接收主控计算机发送的控制指令，主控计算机接收中央处理器芯片发送的局部地图并对运动机器人各个位置下的局部地图进行处理得到室内全局地图以及对原始地图进行更新。所述运动机器人内还安装有为激光雷达、编码器以及中央处理器芯片进行供电的电源模块。所述运动机器人内还设置有用于驱动运动机器人运动的机器人驱动模块，机器人驱动模块与机器人控制模块相连，机器人控制模块连接到中央处理器芯片。所述中央处理器芯片还连接航向参考模块，航向参考模块与编码器配合以得到运动机器人的运动信息。所述中央处理器芯片还连接局部地图生成模块，局部地图生成模块根据中央处理器芯片处理后的激光雷达采集的离散数据点信息以及编码器测量的运动机器人运动信息生成局部地图，局部地图生成模块生成局部地图后传输到与其连接的地图存储模块内，无线传输模块连接地图存储模块并将地图存储模块内的局部地图传输到主控计算机内。所述运动机器人的底部安装有与机器人驱动模块相连接的行走机构。所述运动机器人的行走机构为快速移动的轮式行走机构或者稳定移动的履带式行走机构。一种激光扫描式室内地图生成和更新方法，包括以下具体步骤：通过激光雷达得到361个环境点的数据，范围180度，间隔0.5度，把这些以极坐标表示的数据转化为笛卡尔系下的全局坐标；将激光雷达采集到的离散点的数据信息处理成用来表示环境信息的线段，通过区域分块、线段分割和线段表示三个步骤来生成局部地图；运动机器人在室内移动，得到多个局部地图，通过融合多个局部地图生成全局地图；寻找局部地图和全局地图的相关线段，通过计算相关线段之间的关系来完成机器人的精确定位和全局地图的更新。所述生成局部地图的步骤为：通过坐标转换，得到361个离散点的笛卡尔坐标，先假设这361个点为一个区域，起点是第一个点，终点是第361个点，按照连续两点间的距离进行区域分块，具体步骤如下：计算连续两个点之间的距离Dj；判断如果Dj大于预先设定的阈值δ，则认为这两个点是不连续的，以这个点为分割点将区域分成两块，由于障碍物到激光雷达的距离不同，连续的相邻扫描点之间的距离也不同，为了取得较为精确的分块效果，采用动态阈值的方法来分块，如扫描点到激光雷达中心的距离小于D，选取的阈值为δ，如果距离为大于D且小于2D，选取的阈值为2δ；判断每个区域内的扫描点的个数，如果每个区域包含点的个数小于3，该区域被视为噪声区域，舍弃这些噪声点；经过区域分块，得到了可以用线段表示的区域Bi(i＝1,2…N)，这些区域可以由一条或者多条线段来表示，对这些区域进行线性分割，步骤如下：在区域块Bi中，以第一个点Ps(Xs,Ys)和最后一个点PE(Xe,Ye)作一条直线L，计算其余各点到这条直线的距离，选出距离最大的一个点，若这个距离大于阈值α，将这块区域分成两部分，同样采用动态阈值的方法进行线性分割，阈值α选为直线L长度的1/10；重复上述步骤，得到M个可以用一条线段表示的线性区域Li(i＝1,2…M)；生成局部地图。所述全局地图的更新的步骤为：生成局部地图得到的线段参数是需找相关线段的参考标准，可分为以下四个步骤：①取出全局地图的一条线段LG，按照“线段范围”的方法，得出局部地图中符合条件的线段，如果不存在，则取出下一条全局地图的线段，再次计算，直到找到所有符合条件的线段LC为止；②判断局部地图中的线段和全局地图中的线段是否相关，有两个条件用于测试：1)Δθ＝∣θL-θG∣<β，θL是局部地图中线段和X轴的夹角，θG是全局地图中线段LG和X轴的夹角，β为阈值，如果两条线段相关，则必须满足这一个条件，2)线段LC的重心到线段LG的垂直距离DL小于一个阈值δL，如果满足以上两个条件，则这两条线段是相关的；③对于符合条件①的LC，重复②的步骤，然后选取符合条件2且具有最高置信度，也就是(Δθ,DL)值最小的线段LC作为线段LG的相关线段；④重复步骤①-③，找出所有相关的线段对并计算得到每一对相关线段的(Δθ,DL)；寻找到所有的相关线段后，下一步就是得到机器人的精确位姿，具体步骤如下：选取一对相关的线段，假设(X,Y,θ)为通过机器人自身系统得到的机器人的位姿，首先计算机器人的角度，然后重新计算局部地图中相关线段LC的参数，得到新重心，新重心到线段LG的距离为Dl；选取另外三对相关线段，重复上述步骤，这样总共得到四组机器人的位姿(Xi,Yi,θi)，其中i＝1,2,3,4，采用最小平方法使得各组位姿到新位姿的误差的平方和最小；经过位姿更新得到的局部地图具有较高的可信度，融合局部地图的线段便可以完成全局地图的更新，分为以下两个步骤：相关线段的更新，相关线段可分为3种情况，1)局部地图的线段是全局地图中的线段的一部分；2)局部地图的线段和全局地图中的线段完全重合；3)局部地图的线段和全局地图中的线段部分重合；如果是第一和第二种情况，则从局部地图删去这条线段，如果是第三种情况，则以这对相关线段的原始数据为基础重新构造一条线段，并将其参数加入到全局地图中；完成相关线段的更新后，局部地图中还存在和全局地图不相关的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光扫描式室内地图生成和更新装置，其特征在于：包括运动机器人以及安装在运动机器人上的激光雷达，所述激光雷达安装在运动机器人的顶部，所述运动机器人内安装有编码器及中央处理器芯片，激光雷达与中央处理器芯片相连接，所述运动机器人上还安装有信号天线，运动机器人通过信号天线与主控计算机通信连接，所述激光雷达用以对室内环境进行扫描并将扫描得到的离散点数据信息传输到中央处理器芯片，所述编码器用于测量运动机器人的运动信息并将其传输到中央处理器芯片，所述中央处理器芯片对激光雷达采集的离散数据点信息以及编码器测量的运动机器人运动信息进行处理后得到运动机器人相应位置下的局部地图，所述信号天线用于运动机器人和主控计算机的通信连接，中央处理器芯片通过信号天线将处理得到的局部地图传输到主控计算机并接收主控计算机发送的控制指令，主控计算机接收中央处理器芯片发送的局部地图并对运动机器人各个位置下的局部地图进行处理得到室内全局地图以及对原始地图进行更新。

【技术特征摘要】
1.一种激光扫描式室内地图生成和更新装置，其特征在于：包括运动机器人以及安装在运动机器人上的激光雷达，所述激光雷达安装在运动机器人的顶部，所述运动机器人内安装有编码器及中央处理器芯片，激光雷达与中央处理器芯片相连接，所述运动机器人上还安装有信号天线，运动机器人通过信号天线与主控计算机通信连接，所述激光雷达用以对室内环境进行扫描并将扫描得到的离散点数据信息传输到中央处理器芯片，所述编码器用于测量运动机器人的运动信息并将其传输到中央处理器芯片，所述中央处理器芯片对激光雷达采集的离散数据点信息以及编码器测量的运动机器人运动信息进行处理后得到运动机器人相应位置下的局部地图，所述信号天线用于运动机器人和主控计算机的通信连接，中央处理器芯片通过信号天线将处理得到的局部地图传输到主控计算机并接收主控计算机发送的控制指令，主控计算机接收中央处理器芯片发送的局部地图并对运动机器人各个位置下的局部地图进行处理得到室内全局地图以及对原始地图进行更新。2.根据权利要求1所述的一种激光扫描式室内地图生成和更新装置，其特征在于：所述运动机器人内还安装有为激光雷达、编码器以及中央处理器芯片进行供电的电源模块。3.根据权利要求1所述的一种激光扫描式室内地图生成和更新装置，其特征在于：所述运动机器人内还设置有用于驱动运动机器人运动的机器人驱动模块，机器人驱动模块与机器人控制模块相连，机器人控制模块连接到中央处理器芯片。4.根据权利要求1所述的一种激光扫描式室内地图生成和更新装置，其特征在于：所述中央处理器芯片还连接航向参考模块，航向参考模块与编码器配合以得到运动机器人的运动信息。5.根据权利要求1所述的一种激光扫描式室内地图生成和更新装置，其特征在于：所述中央处理器芯片还连接局部地图生成模块，局部地图生成模块根据中央处理器芯片处理后的激光雷达采集的离散数据点信息以及编码器测量的运动机器人运动信息生成局部地图，局部地图生成模块生成局部地图后传输到与其连接的地图存储模块内，无线传输模块连接地图存储模块并将地图存储模块内的局部地图传输到主控计算机内。6.根据权利要求3所述的一种激光扫描式室内地图生成和更新装置，其特征在于：所述运动机器人的底部安装有与机器人驱动模块相连接的行走机构。7.根据权利要求6所述的一种激光扫描式室内地图生成和更新装置，其特征在于：所述运动机器人的行走机构为快速移动的轮式行走机构或者稳定移动的履带式行走机构。8.一种激光扫描式室内地图生成和更新方法，其特征在于，包括以下具体步骤：通过激光雷达得到361个环境点的数据，范围180度，间隔0.5度，把这些以极坐标表示的数据转化为笛卡尔系下的全局坐标；将激光雷达采集到的离散点的数据信息处理成用来表示环境信息的线段，通过区域分块、线段分割和线段表示三个步骤来生成局部地图；运动机器人在室内移动，得到多个局部地图，通过融合多个局部地图生成全局地图；寻找局部地图和全局地图的相关线段，通过计算相关线段之间的关系来完成机器人的精确定位和全局地图的更新。9.根据权利要求8所述的一种激光扫描式室内地图生成和更新方法，其特征在于，所述生成局部地图的步骤为：通过坐标转换，得到361个离散点的笛卡尔坐标，先假设这361个点为一个区域，起点是第一个点，终点是第361个点，按照连续两点间的距离进行区域分块，具体步骤如下：计算连续两个点之间的距离Dj；判断如果Dj大于预先设定的阈值δ，则认为这两个点是不连续的，以这个点为分割点将区域分成两块，由于障碍物到激光雷达的距离不同，连续的相邻扫描点之间的距离也不同，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙兆沛，樊旭，王晓龙，钟收成，徐胜斌，
申请(专利权)人：武汉工控仪器仪表有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42