应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统及方法与流程

本发明属于机器人导航技术领域。

背景技术：

激光导航是利用激光直线性好，发散角小、能量集中等特点进行多点位精准测量，通过对数据的组合运算，计算出设备的相对位置，从而实现定位。激光导航的方式有很多，但是目前较为成熟且广泛应用的激光导航技术主要有两种，一种为利用激光反射板进行定位，激光发射器发射的激光经过反射板反射被接收器接收，通过测算不同位置的反射板的位置来确定设备的当前位置，并且利用相关的数学模型做导航指引，特点是精度较高，但是无法感知周围环境需要其他传感器辅助感应且使用前需要进行反射板的安装，前期施工量大；另外一种则无需使用反射板，利用设备所在环境中的障碍物作为参照物通过利用2D激光扫描周围环境中的障碍物获得相关数据，在通过对数据的处理整合构建出设备周围的二维虚拟地图，地图构建后设备在运动时，不断比对周围的障碍物数据，从而获取相关的地理位置信息，通过相关的数学模型，得出具体性运动控制数据，特点是施工难度低，易于使用，但是缺点是精度较低，扫描数据为环境的一个截面，无法感知其他高度的环境数据，需要其他传感器进行辅助感应。

目前可以达到周围环境感知的技术主要是视觉感知及3D激光雷达方案，但是视觉技术目前易受到光线，湿度等物理环境因素的影响适用范围小成本较高；符合导航使用的高精度的3D激光雷达方案目前市场价格都极为昂贵，成本高出太多，在应用于服务机器人行业并不成熟，并且开发难度较大。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有周围环境感知的技术易受到光线，湿度等物理环境因素的影响，适用范围小且成本较高的问题；提出了一种应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统及方法。

本发明所述的应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统，它包括3D激光雷达1、2D激光雷达2、传动轴承3、板卡4、旋转主轴5、角度检测编码器6、齿轮传动组7、驱动电机8和基座9；

基座9下部为中空结构的柱体，上部为中空结构的圆台形，所述圆台形为上下均开口结构；

齿轮传动组7包括三个齿轮，所述三个齿轮均设置在基座9的底部，且三个齿轮依次咬合，三个齿轮分别套设在驱动电机8的转动轴的外侧、旋转主轴5的外侧和角度检测编码器6下侧所固定的传动轴的外侧；旋转主轴5位于基座9的中心，角度检测编码器6用于采集旋转主轴5的转速；

驱动电机8通过齿轮传动组7带动旋转主轴5和角度检测编码器6旋转；旋转主轴5的顶端套接在传动轴承3的轴套内，所述传动轴承3位于基座9的顶端，传动轴承3带动3D激光雷达1和2D激光雷达2同时旋转，所述2D激光雷达2位于3D激光雷达1的下侧；2D激光雷达2用于扫描自身安装平面内的环境信息，3D激光雷达1扫描自身安装水平面向上夹角为0°～45°范围内的环境信息；

板卡4设置在基座9内，所述板卡4用于安装板卡电源电路41、2D激光雷达数据处理器42、电极驱动控制器43、编码器数据处理器44和3D激光雷达数据处理器45；

板卡电源电路41用于为2D激光雷达数据处理器42、电极驱动控制器43、编码器数据处理器44和3D激光雷达数据处理器45供电；

2D激光雷达数据处理器42的环境信号输入端连接2D激光雷达2的扫描信号输出端，

电机驱动控制器(43)的控制信号输出端驱动电机8的控制信号输入端，

编码器数据处理器44的角度信号输入端连接角度检测编码器6角度信号输出端；

3D激光雷达1的扫描信号输出端连接3D激光雷达数据处理器45的环境数据信号输入端。

应用于服务机器人的异步式地图构建与定位方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、采用驱动电机8通过齿轮传动组7带动旋转主轴5和角度检测编码器6旋转；将2D激光雷达2和3D激光雷达1通过传动轴承3安装在旋转主轴5的顶端；

步骤二、角度检测编码器6对2D激光雷达2和3D激光雷达1的所连接的旋转主轴5的转速进行检测；并将检测信息发送至编码器数据处理器44；

步骤三、采用2D激光雷达2扫描自身所在平面环境信息，采用3D激光雷达1扫描自身安装水平面向上夹角为0°～45°范围内的环境信息；2D激光雷达2扫描自身安装平面内的环境信息，且2D激光雷达2的扫描区域与3D激光雷达1的扫描区域互不重叠；

步骤四、对编码器数据处理器44接收到的2D激光雷达2和3D激光雷达1的转速信息与2D激光雷达2扫描机器人周围环境的障碍物信息和3D激光雷达1扫描自身安装水平面向上夹角为0°～45°范围内的环境信息进行数据组合；

步骤五、采用基于特征提取的SLAM算法实现对3D激光雷达1扫描的环境信息与2D激光雷达2扫描的环境信息进行对应处理，实现对服务机器人周围环境地图的构建与定位。

本发明的技术方案的激光扫描系统包含一个低成本3D激光雷达，一个高精度2D激光雷达。在该系统中驱动电机通过齿轮传动组与旋转主轴连接，旋转主轴直接连接激光扫描系统，通过控制驱动电机转动来带动激光扫描系统旋转，在激光扫描系统中包含3D激光雷达及2D激光雷达，两种雷达为分层排布一体化结构，以达到互不干扰及同步转动的同频同速效果。

驱动电机在带动旋转主轴旋转时，根据精度要求可匹配不同速比的齿轮传动组，在测算出电机转速后经过比例换算得出激光扫描的系统的转动速度，同时根据角度检测编码器的输出数据来确定激光扫描系统的偏转角度。且本发明结构简单，成本低廉，可靠性高，可满足室内型服务机器人的导航定位要求。

附图说明

图1为发明所述应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统的结构示意图；

图2为具体实施方式一所述的2D激光雷达与3D激光雷达的安装位置示意图；

图3为具体实施方式一所述的应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统的原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统，它包括3D激光雷达1、2D激光雷达2、传动轴承3、板卡4、旋转主轴5、角度检测编码器6、齿轮传动组7、驱动电机8和基座9；

基座9下部为中空结构的柱体，上部为中空结构的圆台形，所述圆台形为上下均开口结构；

齿轮传动组7包括三个齿轮，所述三个齿轮均设置在基座9的底部，且三个齿轮依次咬合，三个齿轮分别套设在驱动电机8的转动轴的外侧、旋转主轴5的外侧和角度检测编码器6下侧所固定的传动轴的外侧；旋转主轴5位于基座9的中心，角度检测编码器6用于采集旋转主轴5的转速；

驱动电机8通过齿轮传动组7带动旋转主轴5和角度检测编码器6旋转；旋转主轴5的顶端套接在传动轴承3的轴套内，所述传动轴承3位于基座9的顶端，传动轴承3带动3D激光雷达1和2D激光雷达2同时旋转，所述2D激光雷达2位于3D激光雷达1的下侧；2D激光雷达2用于扫描自身安装平面内的环境信息，3D激光雷达1扫描自身安装水平面向上夹角为0°～45°范围内的环境信息；

板卡4设置在基座9内，所述板卡4用于安装板卡电源电路41、2D激光雷达数据处理器42、电极驱动控制器43、编码器数据处理器44和3D激光雷达数据处理器45；

板卡电源电路41用于为2D激光雷达数据处理器42、电极驱动控制器43、编码器数据处理器44和3D激光雷达数据处理器45供电；

2D激光雷达数据处理器42的环境信号输入端连接2D激光雷达2的扫描信号输出端，

电机驱动控制器(43)的控制信号输出端驱动电机8的控制信号输入端，

编码器数据处理器44的角度信号输入端连接角度检测编码器6角度信号输出端；

3D激光雷达1的扫描信号输出端连接3D激光雷达数据处理器45的环境数据信号输入端。

本实施方式所述的系统通过使用2D、3D组合式激光雷达实现环境模型数据提取以及机器人的空间定位及导航。同步激光雷达扫描系统包括一个3D空间激光扫描系统、一个2D平面激光扫描系统。3D空间激光扫描系统与2D平面激光扫描系统为同轴同步结构与旋转主轴连接，旋转主轴通过齿轮传动组与驱动电机连接。驱动电机的控制数据以及速度、转角反馈数据、3D、2D激光雷达扫描数据均交给数据处理系统进行控制及数据整合输出。整个系统的供电均由供电系统进行分配。3D激光雷达采用一种成本低可靠性好精度略低的方案实现，2D激光雷达采用一种精度高能突出定位好的方案实现。3D、2D激光雷达同步扫描时能够同时获取空间环境数据及准确定位，给机器人提供一个相对全面的环境数据，指导机器人进行相应的运动控制，并且结构简单，可靠性高，具有较高的性价比。

本发明的目的是利用高性能的2D激光雷达进行精确定位，同时利用低成本易于实现的3D激光雷达进行空间扫描用以达到环境感知构建空间地图模型的目的，使用较低的成本即可达到服务机器人定位导航精度并不十分严苛的要求。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统的进一步说明，套设在驱动电机8的转动轴的外侧的齿轮与角度检测编码器6下侧所固定的传动轴的外侧的齿轮比例为1：1。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统的进一步说明，3D激光雷达1包括表面透镜、线性激光发射器、CMOS感光原件和偏光镜；

表面透镜嵌固在基座9顶端的圆台形结构上，线性激光发射器、CMOS感光原件和偏光镜均设置在基座9的圆台形结构内；

线性激光发射器的激光信号经表面透镜发射至3D激光雷达1所旋转的环境中，线性激光发射器的激光信号遇到障碍物后的反射光再次经表面透镜入射至偏光镜，所述反射光经偏光镜后入射至CMOS感光原件的感光面上，所述CMOS感光原件的信号输出端连接3D激光雷达数据处理器45的环境数据信号输入端。

本实施方式所述的线性激光发射器向扫描区域发射一条线状激光，该激光线平行于3D激光扫描仪转轴，垂直于3D激光扫描仪转动平面，激光线打到障碍物后会产生反射，反射后的激光线经过透镜及偏光镜被COMS感光元件组接收，利用COMS感光元件组接收的位置偏差数值通过三角测距法计算出障碍物距离。

详细过程：

结构：激光发射器的发射方向与发射平台所在平面呈一定的夹角θ，COMS感光元件组与偏光镜平行且与发射平台所在平面平行，

组件作用：

线性激光发射器：向检测区域发射一条平行于3D激光扫描仪转轴，垂直于3D激光扫描仪转动平面的激光线用于测量。

透镜：仅保留激光器发射波长的光线进入，从而可以一定程度的避免光线干扰

偏光镜：用来吸收天空中的偏振光，水面的反光，玻璃反光等非金属反光避免光线干扰。

COMS感光元件组：接收反射激光线并测量出与中心偏差数据。(如不好理解可参考COMS摄像头)

过程：

a)线性激光发射器发射出一条固定波长的垂直激光线，激光线照射到检测区域的障碍物(墙体、物体等)并形成反射。由于障碍物的表面不同高度距离发射器远近不同，反射后的激光线就会产生扭曲而变形。

b)反射后扭曲的激光线通过透镜及偏光镜被CMOS感光元件组接收，由于在自然界中有很多波段的光线会对激光产生干扰，经过透镜及偏光镜后会滤除很多杂光，净化接收光线。

c)扭曲的激光线，被CMOS接收时由于扭曲的程度不同，在CMOS感光元件组上的成像也不同，也就能够形成与中轴线不同距离的多像素点图像。

d)激光线在整个发射-反射-接收过程中障碍物的不同高度位置是与CMOS成像不同位置的点对应的。

e)先计算成像中单点的距离检测问题，利用感光元件组的成像点偏差数据及激光发射角度θ，激光发射器中心与CMOS中心的距离，CMOS调制出的焦距等通过三角测距法计算出障碍物单点距离。

f)然后在计算高度坐标系不同位置的激光数据，得出障碍物其他点距离数据，全部计算完后得出的就是3D激光扫描系统，在该方向的所有纵向数据。

g)最后，3D激光扫描系统，根据转动分度依次旋转。将所有方向即360°方向的所有数据均计算完成后，即可得出周围环境的所有距离数据。将数据汇总，便是周围环境信息。

本发明所述系统该系统包括基座及激光扫描系统，激光扫描系统中包括3D激光雷达和2D激光雷达，两种雷达分层排布，2D激光雷达在底层扫描整个环境的低层平面，其反馈的数据用于定位和导航使用。3D激光雷达在上方扫描的一定范围的空间环境，其反馈数据用于构建整个环境地图，两种雷达契合在一个扫描主体即激光扫描系统上，该结构用来达到同步效果，当激光扫描系统工作旋转时，3D激光雷达及2D激光雷达均旋转，旋转速度完全一致，其旋转频率要求调控范围在5-10Hz范围内。3D激光雷达与2D激光雷达之间互成一定的角度，防止互相干扰。整个激光扫描雷达与基座的输出轴即旋转主轴连接，由主轴带动这个激光扫描系统进行旋转，主轴通过齿轮传动组与驱动电机及角度检测编码器连接，齿轮传动组中连接旋转主轴及编码器的齿轮比例为1：1，旋转主轴与驱动电机的齿轮传动比例则根据电机性能匹配，匹配标准为输出旋转主轴的转动分辨率＝<1°，驱动电机的选用标准为转动平稳，不同速度要求下均有稳定的转速表现。

具体实施方式四、本实施方式所述的应用于服务机器人的异步式地图构建与定位方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、采用驱动电机8通过齿轮传动组7带动旋转主轴5和角度检测编码器6旋转；将2D激光雷达2和3D激光雷达1通过传动轴承3安装在旋转主轴5的顶端；

步骤二、角度检测编码器6对2D激光雷达2和3D激光雷达1的所连接的旋转主轴5的转速进行检测；并将检测信息发送至编码器数据处理器44；

步骤三、采用2D激光雷达2扫描自身所在平面环境信息，采用3D激光雷达1扫描自身安装水平面向上夹角为0°～45°范围内的环境信息；2D激光雷达2扫描自身安装平面内的环境信息，且2D激光雷达2的扫描区域与3D激光雷达1的扫描区域互不重叠；

步骤四、对编码器数据处理器44接收到的2D激光雷达2和3D激光雷达1的转速信息与2D激光雷达2扫描机器人周围环境的障碍物信息和3D激光雷达1扫描自身安装水平面向上夹角为0°～45°范围内的环境信息进行数据组合；

步骤五、采用基于特征提取的SLAM算法实现对3D激光雷达1扫描的环境信息与2D激光雷达2扫描的环境信息进行对应处理，实现对服务机器人周围环境地图的构建与定位。

当设备工作时，整个激光扫描系统开始根据设定转速转动输出，3D激光雷达与2D激光雷达均开始数据输出，3D激光雷达单次扫描为一个空间纵向截面数据，旋转360°后则获得了设备周围整个空间的纵向截面数据，通过算法对获得数据融合获得周围空间环境数据，从而构建出整个周围空间的地图数据，2D激光雷达单次扫描为设备所在环境的一个横向截面的一个点位数据，旋转360°后则获得所在横向截面的所有数据，通过算法进行数据融合后，获得所在环境2D激光雷达所在环境的位置。从而实现机器人的地图构建及定位。

实施例：

驱动电机选用直流伺服电机额定转速为1200n/min，传动齿轮组中驱动电机与旋转主轴的传动速比为1：2，角度检测编码器选用单圈绝对值编码器，2D激光雷达采用TOF测距法激光雷达，3D激光雷达采用线性激光发射器与COMS感光元件组、偏光镜组成的三角测距法激光雷达。设备上电后，对基座内部板卡进行供电，给与控制5Hz转速的控制指令，数据处理系统将5Hz的控制指令转换成50％占空比的PWM驱动电机控制性号，控制电机以600n/min的转速即10hz转动频率稳定转动，通过1：2的齿轮传动组，控制旋转主轴以5Hz转动，旋转主轴带动2D、3D激光雷达以5Hz的转动频率转动，2D、3D激光雷达开始获取周围环境的测距信息，分别通过各自的数据采集板进行数据纠偏处理，将处理后的数据传输给基座内部的数据处理系统，数据处理系统将3D激光雷达获取到的单个位置的纵向截面数据结合绝对值编码器给出的角度信息组合成一组数据，该组数据为本系统在该位置该方向的环境信息，连续旋转一周得到的每一组数据均做数据组合，所得到的数据组为本系统所在环境的环境距离信息，在经过算法融合构建出设备周围的环境地图信息。同时数据处理系统将高精度2D激光雷达获取到的单个位置的数据结合绝对值编码器给出的角度信息组合成一组数据，该组数据为本系统在该位置该方向2D激光雷达高度的横向截面中的测距数据，连续旋转一周后获得的所有数据均做此处理，所得到的数据组为本系统所在环境的2D激光雷达高度的横向截面距离信息，经过SLAM算法等数学模型的换算融合的到本系统所在环境的位置信息。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。