一种机器人室内定位系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种机器人室内定位系统，包括依次相连设置在可移动机器人上的惯性传感器，传感器控制模块和上位机以及视觉传感器；当机器人移动时，惯性传感器实时产生惯性数据，视觉传感器实时采集场景图像；传感器控制模块与惯性传感器相连接，用于对惯性传感器进行运行控制及数据的收发工作，上位机与传感器控制模块相连接，用于对所获取的数据进行处理，上位机还与视觉传感器连接通信，用于获取采集的图像并进行处理，惯性传感器与视觉传感器用于对机器人的移动轨迹进行定位与跟踪。本实用新型专利技术结合两类传感器的优点，具有较高鲁棒性，并可对场景进行三维重建，整体定位精度较高且硬件搭建简单、灵活，具有较高实用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种机器人室内定位系统
本技术涉及一种机器人室内定位系统。
技术介绍
机器人要能正常使用于实际生活中，除了复杂的机械制造、驱动装置、控制系统以外底层的算法是其智能化的核心所在。机器人的关键技术是能够实现自主导航定位功能，尤其是机器人在真实环境中进行移动工作时，至少需要知道关于自身的三件事：“我在什么地方”、“我的周围是什么样的”，“我要怎么样才能到达指定的地点”。视觉传感器是最接近人类获取外界图像的方式，通过视觉传感器(一般为相机)能够给机器人提供丰富的环境特征信息，而且相机的数据不会有漂移。通过特征匹配算法可以求得两帧之间相机运动状态，并且还可以对三维环境信息进行重建。但是，当场景区域纹理少或者相机运动过快时，都会导致相机获取的图像，进行特征匹配时造成误匹配率过高或者匹配失败，从而使计算出的位姿信息出现错误，并且难以用于场景的三维重建。惯性传感器进行定位可以提供一个较好的初始运动状态，并且惯性传感器可以提供重力方向。但是只使用惯性传感器进行定位时，对于短时间内惯性传感器的定位精度较高，但长时间的定位会使得结果出现过度的漂移，一般的惯性传感器对于角度的测量漂移相对于时间呈线性关系，而对于位置的测量漂移相对于时间呈现平方级别的变化。公开号CN107560613A的专利技术申请公开了一种基于九轴惯性传感器的机器人室内轨迹跟踪系统及方法，其中方法包括为使用引入PI控制算法，利用陀螺仪计算出的姿态矩阵，对加速度计和磁力计测量值进行坐标系转换，转换时产生的转换误差，可以用来修正姿态矩阵，从而提高整体的定位精度。该方法有以下几个缺点：1)定位结果长时间计算存在累计误差；2)只依赖惯性传感器数据，对于电磁干扰强度大的环境下，惯性数据不可靠；3)只能对机器人的轨迹进行跟踪，而不能对环境地图进行重建，无法满足机器人进行导航定位时对环境地图的需求。为了提高机器人室内定位的精度和满足机器人导航定位时对环境地图的需求，融合惯性传感器和视觉传感器两者的优点来提高定位算法的精度和鲁棒性能，并且能够重建出场景的三维地图。
技术实现思路
本技术的目的是为了提高机器人室内定位的精度和鲁棒性能以及场景的三维地图，提供一种机器人室内定位系统及定位方法。本技术采用由三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计组成的九轴惯性传感器作为惯性传感器模块。引入基于四元数的坐标系旋转关系描述方法，使用三轴加速度计和三轴磁力计的输出值来修正三轴陀螺仪的输出值，以获得精确的旋转关系。精确的旋转关系中还包含机器人的运动方向信息。并对获取的三轴加速度值进行坐标系转换以及去除重力处理，将处理后的三轴加速度值进行积分运算可获得机器人移动过程中的速度信息。采用一种静止时期(即零速点)判断方法，用于检测出机器人移动过程中的静止时期，结合判断出的静止时期对速度进行修正，对修正后的速度再次进行积分运算则可获得机器人移动过程中的位移信息。本技术首先对固定在机器人上的相机进行标定处理，标定完成后使用标定后的参数，对获取到的场景图像进行校正处理，以去除图像畸变。对校正后的图像使用特征提取算法，提取相邻帧与帧之间图像中的特征点，通过特征点之间的变化关系来估计出机器人的运动状态。再通过构建位姿图来描述载体机器人运动与传感器的观测信息之间的关系，使用图优化求取出更加精确的初始位姿，并通过g2o图优化求解库，计算该图优化问题，以求解出更加精确的机器人的位姿等信息，并在此基础上构建场景三维地图，最后融合惯性数据和视觉数据对机器人定位进行处理。为了实现上述的目的，本技术采用如下技术方案予以实现。一种机器人室内定位系统，包括可移动的机器人，依次相连设置在所述机器人上的惯性传感器，传感器控制模块和上位机，其特征在于：所述上位机还分别连接有设置在机器人上的视觉传感器；当所述机器人移动时，所述惯性传感器实时产生三轴加速度值、三轴角速度值以及三轴磁场强度值，所述视觉传感器实时采集运动过程中的场景图像；所述传感器控制模块与惯性传感器相连接，用于对惯性传感器进行运行控制以及数据的收发工作，所述上位机与传感器控制模块相连接，用于对所获取的数据进行处理，所述上位机与视觉传感器连接通信，用于获取环境图像信息并对信息进行处理，所述惯性传感器与视觉传感器用于对机器人的移动轨迹进行定位与跟踪；其中所述惯性传感器为整合了三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计的九轴惯性传感器，或整合三轴加速度、三轴陀螺仪的六轴惯性传感器加上一个单独的三轴磁力计以组成九轴惯性传感器，或使用单独封装的三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，将它们的数据进行组合处理以达到九轴惯性传感器的效果的惯性传感器；所述传感器控制模块为ARM处理器、单片机或微处理器；所述视觉传感器为单目相机、双目相机、RGB-D相机或者其他可以获取场景图像的视觉设备。本技术的一种机器人室内定位系统的定位方法，包括如下步骤：步骤1、通过上位机获取机器人移动过程中产生的九轴惯性数据，并对数据进行预处理，消除数据中的噪声干扰；具体方法是：步骤1-1、所述上位机以采样频率Fs读取九轴惯性传感器数据，将读取的数据保存到csv文件中；步骤1-2、将保存完成的csv文件导入上位机软件中，并对其中的三轴加速度值采用巴特沃兹低通滤波器进行滤波处理；步骤2、使用四元数法描述传感器模块的输出值由载体坐标系转换到导航坐标系之间的旋转矩阵；具体方法是：步骤2-1、在导航系统中选取三轴加速度计、三轴磁力计和三轴陀螺仪组成的惯性测量单元所在坐标系为载体坐标系b，该坐标系的原点为载体的重心，3个轴分别对应载体的横轴、纵轴和竖轴；选取地理坐标系为导航所参考坐标系，用n表示，使用四元数法表示n系至b系之间的旋转关系；步骤2-2、采用四元数微分方程求解出旋转四元数更新方程；步骤2-3、采用四元数更新方程求解出旋转矩阵更新方程；步骤3、使用三轴加速度值和三轴磁场强度值修正三轴角速度值以获得更加准确的旋转矩阵；具体方法是：步骤3-1、使用三轴加速度计数据，利用如下公式求得误差矩阵erra；式中，vx、vy、vz为导航坐标系(n系)下的重力加速度通过旋转矩阵转换至载体坐标系(b系)后在三轴的计算值，ax、ay、az为载体坐标系中的传感器模块测得的重力加速度在三轴的输出值；步骤3-2、使用三轴磁力计数据，利用如下公式求得误差矩阵errm；式中，mx、my、mz为导航坐标系(n系)下的磁场强度值通过旋转矩阵转换至载体坐标系(b系)后在三轴的计算值，cx、cy、cz为载体坐标系中的传感器模块测得的磁场强度在三轴输出值；步骤3-3、对误差矩阵erra和errm使用矩阵加法运算，可求得总的误差err；步骤3-4、使用PI算法，利用如下公式，则可通过误差err去修正三轴陀螺仪的输出值；gyro_new＝gyro+kp·err+ki·err·Δt式中，gyro为三轴陀螺仪的输出值，gyro_new为修正后的三轴陀螺仪计算值，kp为PI算法中的比例增益记为，ki为PI算法中的积分增益，Δt为采样周期；步骤3-5、将修正后的三轴陀螺仪数据代入上述步骤(2)中，利用四元数法则可获得更加准确的旋转矩阵；步骤4、通过旋转矩阵将载体坐标系下的三轴加速度值转换到导航坐标系，对转换后的三轴加速度值进行积分运算，获得机器人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人室内定位系统，包括可移动的机器人，依次相连设置在所述机器人上的惯性传感器，传感器控制模块和上位机，其特征在于：所述上位机还连接有设置在机器人上的视觉传感器；当所述机器人移动时，所述惯性传感器实时产生三轴加速度值、三轴角速度值以及三轴磁场强度值，所述视觉传感器实时采集运动过程中的场景图像；所述传感器控制模块与惯性传感器相连接，用于对惯性传感器进行运行控制以及数据的收发工作，所述上位机与传感器控制模块相连接，用于对所获取的数据进行处理，所述上位机与视觉传感器连接通信，用于获取环境图像信息并对信息进行处理，所述惯性传感器与视觉传感器用于对机器人的移动轨迹进行定位与跟踪；其中所述惯性传感器为整合了三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计的九轴惯性传感器，或整合三轴加速度、三轴陀螺仪的六轴惯性传感器加上一个单独的三轴磁力计以组成九轴惯性传感器，或使用单独封装的三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，将它们的数据进行组合处理以达到九轴惯性传感器的效果的惯性传感器。

【技术特征摘要】
1.一种机器人室内定位系统，包括可移动的机器人，依次相连设置在所述机器人上的惯性传感器，传感器控制模块和上位机，其特征在于：所述上位机还连接有设置在机器人上的视觉传感器；当所述机器人移动时，所述惯性传感器实时产生三轴加速度值、三轴角速度值以及三轴磁场强度值，所述视觉传感器实时采集运动过程中的场景图像；所述传感器控制模块与惯性传感器相连接，用于对惯性传感器进行运行控制以及数据的收发工作，所述上位机与传感器控制模块相连接，用于对所获取的数据进行处理，所述上位机与视觉传感器连接通信，用于获取环境图像信息并对信息进行处理，所述惯性传感器与视觉传感器用于对机器人的移动...

【专利技术属性】
技术研发人员：施敏慧，马国军，何康，缪晓磊，陈扣化，
申请(专利权)人：江阴市雷奥机器人技术有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏,32