移動導(dǎo)航方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】移動導(dǎo)航方法和系統(tǒng) 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種移動導(dǎo)航方法和移動導(dǎo)航系統(tǒng)。具體地，本發(fā)明涉及一種在未知 室內(nèi)環(huán)境下，機(jī)器人通過實(shí)時同步環(huán)境地圖構(gòu)建和定位，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的功能的方法和系統(tǒng)。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 近年來，移動機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展成熟，工廠、展會、機(jī)場和博物館等室內(nèi)場景中 經(jīng)常出現(xiàn)一些室內(nèi)移動機(jī)器人。這些機(jī)器人有各式各樣的功能，如迎賓、領(lǐng)路、巡邏、安防 等。室內(nèi)移動機(jī)器人的一個非常重要的基本功能是導(dǎo)航。在導(dǎo)航技術(shù)中，環(huán)境地圖信息和 機(jī)器人定位技術(shù)是機(jī)器人自主移動的前提，有了這些先驗(yàn)信息，路徑規(guī)劃和避障技術(shù)才能 在驅(qū)動機(jī)器人到達(dá)目的地的過程中發(fā)揮作用。
[0003] 計算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，包括計算機(jī)處理器的運(yùn)算能力不斷提高，存儲能力不斷 加強(qiáng)，都為搭建機(jī)器人系統(tǒng)以及機(jī)器人技術(shù)的成熟做了很好的支撐。近年來，微軟公司發(fā) 布的幻象（Kinect)體感傳感器是一種深度-彩色傳感器，為機(jī)器人系統(tǒng)提供了一個很好 的選擇，相比于傳統(tǒng)的激光傳感器，其價格大幅度降低。在避障技術(shù)方面，出現(xiàn)了很多理論 上的突破，其中一些避障技術(shù)能很好的應(yīng)用在機(jī)器人系統(tǒng)中。例如，用SLAM(Simultaneous LocationAndMapping，同步定位和地圖創(chuàng)建）直接做柵格地圖的創(chuàng)建，進(jìn)而避障和導(dǎo)航。
[0004] 構(gòu)建三維地圖的一種經(jīng)典方法是迭代最近點(diǎn)（ICP,IterativeClosestPoint)。 利用迭代最近點(diǎn)方法配準(zhǔn)點(diǎn)云來構(gòu)建三維地圖時，需要實(shí)時計算構(gòu)圖，計算量很大，對機(jī)器 人系統(tǒng)硬件設(shè)備的計算能力要求很高。
[0005] 在移動機(jī)器人導(dǎo)航和避障領(lǐng)域，提出了許多路徑規(guī)劃方法，但是大部分解決方案 是基于二維平面地圖的。由于傳感器用于機(jī)器人室內(nèi)構(gòu)圖時，往往只檢測某一高度的障礙， 當(dāng)遇到桌角等突出邊緣時，機(jī)器人時常無法有效避障。因而，二維平面地圖避障方法中邊緣 檢測容易失效。
[0006] 傳統(tǒng)室內(nèi)移動機(jī)器人通常采用激光設(shè)備導(dǎo)航，激光設(shè)備雖然精度高，但是設(shè)備的 動輒上萬的價格極其昂貴，令人望而卻步。
[0007] 一些通過電磁技術(shù)、無線傳感技術(shù)等實(shí)現(xiàn)定位與導(dǎo)航功能的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)，往往 需要在環(huán)境中安裝輔助傳感器，這在陌生環(huán)境下是不方便實(shí)現(xiàn)的。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0008] 基于此，有必要提供一種低成本的在未知室內(nèi)環(huán)境下實(shí)時構(gòu)建地圖并導(dǎo)航的方法 和系統(tǒng)。
[0009] -種移動導(dǎo)航系統(tǒng)，包括：
[0010] 傳感器，用于采集環(huán)境數(shù)據(jù)；
[0011] 計算處理單元，用于根據(jù)所述傳感器所采集的數(shù)據(jù)，對所述數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，以構(gòu)建 三維地圖；并根據(jù)所構(gòu)建的三維地圖，提供由起始點(diǎn)至目的點(diǎn)之間的路徑規(guī)劃；
[0012] 驅(qū)動機(jī)構(gòu)，用于根據(jù)所述計算處理單元所提供的所述路徑，驅(qū)動所述移動導(dǎo)航系 統(tǒng)移動。
[0013] -種利用前述的移動導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行地圖構(gòu)建的方法，包括：
[0014] 對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，生成濾波點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0015] 利用kd樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在點(diǎn)集X中尋找離點(diǎn)集P最近的對應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并記錄尋得的數(shù) 據(jù)點(diǎn)；
[0016] 檢測所建立的數(shù)據(jù)點(diǎn)的對應(yīng)聯(lián)系，并去除新采集點(diǎn)集P中預(yù)定的點(diǎn)和點(diǎn)集X中對 應(yīng)點(diǎn)的聯(lián)系；
[0017] 計算矩陣Q(Spy)的特征向量；
[0018] 基于以上所得的特征向量qj?，通過計算點(diǎn)云PQ到點(diǎn)云Pk的轉(zhuǎn)化關(guān)系，計算得出Pk;
[0019] 根據(jù)點(diǎn)到點(diǎn)或者點(diǎn)到平面的距離法則求出點(diǎn)集Pk到點(diǎn)集Yk的誤差e;
[0020] 檢測是否已滿足預(yù)設(shè)的終止條件；
[0021] 若檢測到迭代已經(jīng)滿足了預(yù)設(shè)的終止條件，則終止迭代。
[0022] -種利用前述的移動導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行移動導(dǎo)航的方法，包括：
[0023] 繪制環(huán)境二維地圖；
[0024] 基于所繪制的二維地圖區(qū)分地圖中的可行域與障礙域；
[0025] 隨機(jī)散布路徑點(diǎn)；
[0026] 剔除不可行路徑點(diǎn)；
[0027] 搜索下一步的路徑點(diǎn)；
[0028] 基于所搜索的路徑點(diǎn)，驅(qū)動移動導(dǎo)航系統(tǒng)向下一路徑點(diǎn)移動。
[0029] 基于本發(fā)明，移動導(dǎo)航系統(tǒng)利用迭代最近點(diǎn)云的方法來構(gòu)建位置室內(nèi)環(huán)境地圖， 并利用投影的方法建立導(dǎo)航系統(tǒng)和二維環(huán)境模型，結(jié)合撒路徑點(diǎn)的方法進(jìn)行避障和路徑規(guī) 劃。與直接建立二維地圖相比，本發(fā)明的二維地圖構(gòu)建方法由三維地圖映射而來，對立體實(shí) 物的障礙邊緣等能有效的檢測，避免了因邊緣檢測失效而造成在行走過程中機(jī)器人與障礙 物碰撞的問題。與直接在三維地圖里做避障和路徑規(guī)劃過程相比，本發(fā)明由于在二維平面 內(nèi)做路徑規(guī)劃和避障，能有效降低三維地圖內(nèi)做相同工作的復(fù)雜性，增加了機(jī)器人的實(shí)時 性和工作效率。 【【附圖說明】】
[0030] 圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式的移動導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明一種實(shí)施方式的計算處理單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明一種實(shí)施方式的移動導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖4為本發(fā)明一種實(shí)施方式的移動導(dǎo)航方法的地圖構(gòu)建流程；
[0034] 圖5為本發(fā)明一種實(shí)施方式的移動導(dǎo)航方法的導(dǎo)航流程；
[0035] 圖6為本發(fā)明一種實(shí)施方式中區(qū)分地圖中可行域與障礙域的示意圖；
[0036] 圖7為在整個地圖空間上隨機(jī)散布移動導(dǎo)航系統(tǒng)可能經(jīng)過的所有路徑點(diǎn)的示意 圖；
[0037] 圖8為剔除掉所有可行域之外的路徑點(diǎn)之后，得到的剩余路徑點(diǎn)的示意圖；
[0038] 圖9為本發(fā)明一種實(shí)施方式中規(guī)劃可能的下一路徑點(diǎn)及可能路徑的示意圖；
[0039] 圖10為圖9中排除了經(jīng)過障礙域的剩余可能路徑的示意圖；
[0040] 圖11為本發(fā)明一種實(shí)施方式中搜索半徑與搜索方向的示意圖；
[0041] 圖12為利用本發(fā)明實(shí)施方式的移動導(dǎo)航方法進(jìn)行的路徑規(guī)劃的示意圖；
[0042] 圖13為本發(fā)明一種實(shí)施方式的移動導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043] 圖14為本發(fā)明一種實(shí)施方式的移動導(dǎo)航系統(tǒng)和移動導(dǎo)航方法構(gòu)建三維地圖模型 的模擬結(jié)果圖；
[0044] 圖15為本發(fā)明一種實(shí)施方式的移動導(dǎo)航系統(tǒng)和移動導(dǎo)航方法進(jìn)行路徑規(guī)劃的模 擬結(jié)果圖；
[0045] 圖16為本發(fā)明一種實(shí)施方式的移動導(dǎo)航系統(tǒng)和移動導(dǎo)航方法進(jìn)行路徑規(guī)劃的模 擬結(jié)果圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0046] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0047] 可以理解，本發(fā)明所使用的術(shù)語"第一"、"第二"等可在本文中用于描述各種元件， 但這些元件不受這些術(shù)語限制。這些術(shù)語僅用于將第一個元件與另一個元件區(qū)分。舉例來 說，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以將第一客戶端稱為第二客戶端，且類似地，可將 第二客戶端稱為第一客戶端。第一客戶端和第二客戶端兩者都是客戶端，但其不是同一客 戶端。
[0048] 請參考圖1，其為本發(fā)明一種實(shí)施方式的移動導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該移動導(dǎo)航 系統(tǒng)100包括傳感器102、計算處理單元104、驅(qū)動機(jī)構(gòu)106。
[0049] 傳感器102用于采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算處理單元104。在本實(shí) 施方式中，該傳感器102可以采用深度-彩色傳感器。進(jìn)一步地，在可選的實(shí)施方式中，該 傳感器102為幻象（Kinect)傳感器。
[0050] 計算處理單元104用于根據(jù)傳感器102所采集的數(shù)據(jù)，對于所述數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，以 構(gòu)建三維地圖，并為驅(qū)動機(jī)構(gòu)106提供服務(wù)。在本實(shí)施方式中，該計算處理單元104可以是 工業(yè)控制計算機(jī)。
[0051] 驅(qū)動機(jī)構(gòu)106用于在導(dǎo)航的過程中，驅(qū)動該移動導(dǎo)航系統(tǒng)100的移動。在本發(fā)明 的一種實(shí)施方式中，該驅(qū)動機(jī)構(gòu)106可以根據(jù)計算處理單元104的指令而實(shí)現(xiàn)對于移動導(dǎo) 航系統(tǒng)100的驅(qū)動。在本發(fā)明的其他實(shí)施方式中，驅(qū)動機(jī)構(gòu)106可以響應(yīng)于底層的嵌入式 系統(tǒng)來控制移動導(dǎo)航系統(tǒng)100的移動。其中底層的嵌入式系統(tǒng)收集來自其與計算處理單元 104的接口處的控制信號，并據(jù)以驅(qū)動移動導(dǎo)航系統(tǒng)100的移動。
[0052] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，計算處理單元104根據(jù)傳感器102所采集的數(shù)據(jù)，基于迭 代最近點(diǎn)方法進(jìn)行地圖的構(gòu)圖。當(dāng)移動導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入未知室內(nèi)環(huán)境后，利用傳感器102來 采集周圍環(huán)境深度和色彩信息?？蛇x地，傳感器102所采集的周圍環(huán)境深度信息和色彩信 息由點(diǎn)云表示。計算處理單元104利用所述點(diǎn)云，通過迭代最近點(diǎn)方法配準(zhǔn)融合在一起，形 成周圍環(huán)境較完整的三維地圖。
[0053] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，計算處理單元104基于傳感器102所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計 算而得到三維地圖模型，移動導(dǎo)航系統(tǒng)100在進(jìn)行導(dǎo)航時，將所述三維地圖模型向地面投 影，保留移動導(dǎo)航系統(tǒng)100為模型中邊界最大的部分，從而形成經(jīng)投影的二維地圖模型，并 將該二維地圖模型簡化為一個以移動導(dǎo)航系統(tǒng)100的轉(zhuǎn)軸為圓心的圓。類似地，在本發(fā)明 實(shí)施方式的移動導(dǎo)航系統(tǒng)100在進(jìn)行導(dǎo)航時，計算處理單元104所構(gòu)建的三維地圖模型中 高度高于移動導(dǎo)航系統(tǒng)100的部分被忽略，而剩余部分則被投影到二維平面，以三維模型 中離移動導(dǎo)航系統(tǒng)100最近的邊緣部分為界，然后在二維平面上進(jìn)行導(dǎo)航避障。
[0054] 如圖2所示，其為本發(fā)明一種實(shí)施方式的計算處理單元的結(jié)構(gòu)示意圖。在本發(fā)明 的實(shí)施方式中