多传感器移动平台及基于已知地图的导航与避障方法与流程

本发明涉及智能机器人技术领域，具体涉及一种多传感器移动平台及基于已知地图的导航与避障方法。

背景技术

既定轨道的移动机器人，无论是通过磁条、色带还是二维码、反光板，由于其工作原理需要人为预先在环境提供反馈信息，因此其工作过程对环境依赖大，甚至需要对环境进行改造，铺设、规划时间长，使用成本高，柔性化相对较差；而且，既定轨道也同时约束了机器人的运动空间，当轨道出现障碍物，则无法运行，需要人为干预。

因此，现有的大部分方案产品已经越来越难以满足市场需求，无论是在制造业还是物流、服务领域。移动机器人适应动态环境，以最快计算速度、实现最优路径规划，进行自主导航与避障，成为亟待解决的智能物流关键问题。

当今计算机集成系统技术和视觉算法的发展，以及先进传感设备的快速更新和低成本化，极大地促进了智能移动机器人的发展，也为移动机器人的定位导航摆脱传统约束提供可能。

技术实现要素：

本发明的目的是为了更方便快捷地实现移动机器人的自主定位、导航与避障，提供一种可自主定位、导航与避障的多传感器移动平台，并在此基础上提出一种高效的、基于已知地图的动态空间定位、导航与避障方法。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种利用已知二维地图进行室内环境导航与避障的多传感器移动平台，包括具有全向移动和转动能力的平台本体，处理数据信号的高速嵌入式主控板，水平扫描环境轮廓然后所得信息用于实现移动平台精确定位的二维激光雷达，识别立体障碍物然后所得信息用于指导避障绕行的深度摄像头，以及构建无线网络并用于远程监测和控制的组网通讯设备。

所述的具有全向移动和转动能力的平台本体由4个独立驱动的麦克纳姆轮组(或2个独立驱动的差速轮与1～2个被动轮组成的轮组)及电机、电机驱动器、防撞触边、电池构成；所述每个独立驱动的轮由1个电机驱动；所述的电机配置编码器，用于实时获取电机的转动角度增量，并以高频率发送给电机驱动器；所述的电机驱动器是一个集成式的，其接收各个编码器信息，通过线性运动原理计算得到移动平台中心的位移增量，发送给嵌入式主控板，同时接收主控板的运动参数指令并转化为控制各个电机的脉冲信号，发送给各个电机；所述的嵌入式主控板用于实时获取二维激光雷达和深度摄像头的采集数据，以及来自电机驱动器的位移增量，进而高速计算得到移动平台的位置信息并规划避障导航路径，并向电机驱动器发送运动速度指令；防撞触边用于保护移动平台遭受撞击；电池用于移动平台运行供电。

二维地图为二值地图，每一像素的值0或1代表该像素所描述的空间是否有实体占据；该地图可以事先人为设计或测量、按比例绘制，也可以由本移动平台或其他智能移动设备探测现场而自动生成。

二维激光雷达水平安装在移动平台本体前方的支架或壳体上，随着移动平台行进而扫描其周围一定高度平面的环境轮廓，所得信息实时传输给嵌入式主控板；若移动平台上携带货物高于二维激光雷达扫描平面，则屏蔽移动平台正后方正负45°的信息，以免将携载货物误认为外部障碍物；嵌入式主控板根据二维激光雷达扫描信息，与二维环境地图进行比较确定移动平台的精确位置，并用于运行中的导航与避障。

深度摄像头，安装在平台本体前方的支架中部，使其光轴水平，随移动平台行进深度摄像头获取前方视场内的动态图像(以灰度表示的深度图像)，所得信息实时传输给嵌入式主控板；通过已知的安装位姿，摄像头坐标系下的深度图像可转换为大地坐标系下的三维点云数据；滤除基础地面噪声后，保留所需高度信息，并将点云向水平面投影，得到视场中障碍物的投影最大轮廓；嵌入式主控板根据这样的三维立体障碍信息，可以更确切、可靠地进行避障导航规划。

本发明的另一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于已知地图的导航与避障方法，所述的方法包括下列步骤：

a、嵌入式主控板在二维地图上确定目的地，启动二维激光雷达和深度摄像头，执行定位流程，获得移动平台当前的精确位置；

b、把定位点作为起点，目的地作为终点，规划从起点到终点的全局静态路径；

c、判断当前位置是否为目的地，若是则执行步骤j，否则在全局静态路径上，选取移动平台当前位置前方特定距离的点作为阶段目标点；

d、判断是否到达阶段目标点：若是则执行步骤c，否则执行步骤e；

e、判断是否在全局静态路径上，若是则执行步骤f，否则执行步骤i；

f、当前运行路径上是否出现障碍物，若是则执行步骤h，否则执行步骤g；

g、移动平台按照全局静态路径运行，运行一段时间后执行定位流程，并跳转步骤d；

h、通过深度摄像头和二维激光雷达获取障碍物的轮廓信息，并补充、更新到地图中，重新设置阶段目标，执行性步骤i；

i、以阶段目标规划实时路径，纠正运行偏差，并在有障碍物的情况提供绕行路径；移动平台按照实时路径运行一段时间后，执行定位流程并跳转步骤d；

j、完成导航任务，嵌入式主控板制动所有电机，关闭深度摄像头和二维激光雷达，并进入待机状态，等待新的呼叫信号到来或者关闭多传感器移动平台。

上述导航流程中提及的定位流程，如图5所示。导航过程中，每当嵌入式主控板调用定位功能时，其具体执行流程如下：

a、嵌入式主控板将来自电机驱动器的位移增量与最新定位合成，作为移动平台参考定位，并在地图上标识出来；

b、把二维激光雷达数据在参考位置中表示；

c、将二维地图上表示出的二维激光雷达数据与该区域内的地图障碍物轮廓信息比较匹配：若满足匹配，执行步骤e，否则执行d步骤；

d、在二维地图上，将参考位置的临近位置作为新的参考位置，并执行步骤b；

e、将当前参考位置作为移动平台的精确位置，并清除不满足要求的参考位置；

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)不依赖外部的导航辅助设施，无需预定运行路径，移动平台能够完全自主实现定位、导航和避障，具有高柔性、拓展性和移植性；

(2)移动平台能够自主根据地图进行导航路径规划和行走或转动，若遇障碍物不是被动地停止运行、等待人工去除障碍物，而可自主根据现场实际可行空间进行局部绕障路径规划并运行，无需人工干预；

(3)绝大部分车间、仓库等应用场地都原有平面设计/布置图，本发明可以利用这些原有平面设计/布置图作为基础，只需将之置于二维坐标系中并二值化(有无实体占位的点分别赋值1和0)，就可用作移动平台的定位和路径规划依据以及动态障碍判断依据，保证地图精度和简化地图生成过程；

(4)编码器、二维激光雷达、深度摄像头等多传感器定位数据融合，综合各传感器优势(编码器合成的位移增量数据客观但可能受地面与车轮摩擦系数变化影响、二维激光雷达有足够大的水平视角全方位扫描，但可能受某些反光和透明表面影响且缺失不同高度环境轮廓信息，而编码器合成的位移增量和深度摄像头摄取的信息可补充之)，使自主定位精度更高和避障更可靠；

(5)对比单一的二维激光雷达定位方法，本发明中采用位移增量预估定位为多传感器数据精确定位提供一个有效的参考值，在融合定位数据与地图匹配比较时，能快速找到匹配区域而不必遍历全地图区域细找匹配点，从而加快定位计算；

(6)对比单一的路径规划方法，本发明在全局静态路径规划的基础上，提出对阶段目标的动态实时路径规划思想，避免每一次静态路径上遇到障碍物时重新规划路径，都需要遍历起点到终点的空间，甚至遍历整张地图进行计算；只需要规划从当前位置到阶段目标的实时动态路径，从而加快避障路径规划速度(该特点在大场景、长距离的情况下表现更为明显)；同时全局静态路径与阶段性的动态实时路径相结合，具有兼顾全局最优与动态避障响应快的特点。

附图说明

图1是本发明公开的多传感器移动平台的结构图；

图2是本发明公开的多传感器移动平台的模型图；

图3是本发明的运动执行机构图；

图4是本发明的导航与避障流程图；

图5是本发明的定位流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1～图3所示，本实施例中的基于已知地图的多传感器室内环境自主导航与避障移动平台，包括可全向运动的平台本体5、处理数据信号的嵌入式主控板7、水平扫描环境轮廓然后所得信息用于实现移动平台精确定位的二维激光雷达1、识别立体障碍物然后所得信息用于指导避障绕行的深度摄像头2、用于给移动平台供电的电池4、以及构建无线网络并用于远程监测和控制的组网通讯设备9；所述的二维激光雷达1水平安装在平台本体5前方的支架8上；所述的深度摄像头2安装在平台本体前方的支架8中部，使其光轴水平。

本实施例的可全向运动的平台本体5包括四组运动执行机构6、一个集成式电机驱动器10、头尾防撞触边3；每组运动执行机构包括万向轮6-1、减速器6-2、电机6-3、编码器6-4；

防撞触边3是一种接触式传感器，当触碰外物，外力作用到连接杆3-1上，触发io信号发送到电机驱动器10，电机驱动器10立即制动所有电机，避免进一步碰撞发生。

移动平台工作前需准备好二维环境地图。本实施例中的二维环境地图，可以来源于已有的计算机绘制的平面设计/布置图(也可以从已有的按比例手绘的平面设计/布置图扫描得到图文件，经图形识别而储存成可编辑位图)，将图中无实体占位的像素与有实体占据的像素分别置为0和1(图形分别显示白和黑)，规定正交二维坐标轴和原点，就成为二值化的室内环境地图，将用作移动平台的定位和路径规划参考。如果场景占地面积大，每一像素当量的实际长宽值太大，为提高二值环境地图精度，可以考虑亚像素处理(即，将一个像素长宽分为若干等分，分别对应是否有实体占位而置成黑或白)；如果先前没有地图，也可以由人控操作本发明所述移动平台在室内可通行路径游历一遍，根据多传感器探测信息，嵌入式主控板7自动生成室内环境地图。

将多传感器移动平台置于工作室内，将室内二维环境地图输入移动平台的嵌入式主控板7。对首次在新环境自主运行的移动平台，需人工指定移动平台对应二维环境地图的所在位置(经在该室内一次运行之后的移动平台，无需再次指定其所在位置；若是用经本移动平台游历室内而建立的地图，无需指定移动平台当前位置)；然后指定移动平台的运行终点位置，嵌入式主控板7以最小耗费代价原则规划出运行路径(全局静态路径的最优规划)，并在该路径上，把移动平台当前位置前方特定距离的位置作为阶段目标，根据全局静态路径，推算移动平台所需的速度参数，通过电机驱动器10控制移动平台行进，开始自主导航运行；当运行过程中，通过定位发现移动平台偏离全局路径，或者路径上出现障碍物，则规划当前位置到阶段目标的实时路径，实现纠正路径偏差和绕行避障的功能。

移动平台运行中，各编码器6-4实时获取各电机6-3的转动信息，并以高频率发送给集成式电机驱动器10；电机驱动器10接收编码器6-4信息高频获取各编码器6-4的角度增量，进而通过万向轮6-1的安装位置尺寸和线性运动原理，计算得到移动平台中心的位移增量，发送给嵌入式主控板7；嵌入式主控板7将运动速度参数，转化为运动速度指令，发送给电机驱动器10；电机驱动器10获得移动平台整体速度参数后，通过线性分解得到各个电机6-3的转速参数，据此发送特定的脉冲信号给各对应的电机6-3，驱动电机6-3工作，从而实现全向运动控制。

移动平台运行中，水平安装在平台本体5前方的支架8或壳体上的二维激光雷达1，其内部探头高速旋转，以时间飞行法高频测量安装高度水平面环境轮廓距离数据，每个旋转周期反馈单圈扫描数据给嵌入式主控板7。若移动平台上携带货物高于二维激光雷达1扫描平面，则屏蔽平台上及正后方正负45°的信息，以免将携载货物误认为外部障碍物；安装在平台本体前方的支架8中部的深度摄像头2，基于三角测距原理，获取前方区域动态视场内的面阵深度信息，发送给嵌入式主控板7。通过已知的安装位姿，深度摄像头2坐标系下的深度信息可转换为大地坐标系下的三维点云数据，滤除基础地面噪声后，保留所需高度信息，并将点云向水平面投影，得到视场中障碍物的投影最大轮廓。深度摄像头2所提供的从地面到高处的全视场三维信息，填补了二维激光雷达1仅水平扫描的探测盲区信息，使障碍物探测更无遗漏，避障更可靠。

移动平台运行中，嵌入式主控板7周期性将来自电机驱动器10的移动平台位移增量和上一定位位置进行合成，在二维环境地图上实现快速参考定位，进而将二维激光雷达1的水平面环境轮廓距离数据和深度摄像头2的面阵深度信息与地图上参考定位区域信息进行匹配，获得精确定位，并据此判断是否偏离运行路径，若是，则规划从当前位置到阶段目标的实时路径，实现纠偏功能，避免因为轮子打滑、通信延迟等造成的路径偏离；如果二维激光雷达1和深度摄像头2没有探测到行进前方有不同于二维环境地图该区域的占位实体，移动平台就按已规划路径继续行进；否则当探测到有不同于二维环境地图该区域的占位实体，则判为新障碍物；为此嵌入式主控板7将障碍物水平投影后的位置填充到地图中，根据静态路径重新设置可行的阶段目标，并以最快计算速度和安全通行原则进行实时路径规划，实现绕行避障；当移动平台通过周期性的定位，发现到达阶段目标后，若此时尚未达到最终目的地，则设定新的阶段目标，重复上述流程运行，直到到达最终目的地。

多传感器移动平台运行中，若突发状况有障碍物在传感器视野盲区时，头尾防撞触边3触碰到外接物体，连接杆3-1受到挤压而触发io信号，发向电机驱动器10；进而电机驱动器10触发优先级高于协议通信的制动指令，立即制动所有电机6-3，避免进一步碰撞。

无线组网通讯设备9，建立起无线局域网络，使传感器数据、更新的地图、实时定位和运行路径据能够共享到远程监控站。远程监控站可以实时监测移动平台运行状态，还可以重置设备运行参数、初始化定位、指定移动平台运行的目标位置等。

如此完成移动平台移动的自主定位、导航与避障运行。

为进一步阐明本发明提出的导航与避障方法的执行流程，结合流程图4和图5做进一步说明。

在完成设备初始化之后，每当需要呼叫移动平台的任务到来时，多传感器移动平台按照如下流程完成导航：

a、嵌入式主控板7在二维地图上确定目的地，启动二维激光雷达1和深度摄像头2，执行定位流程，获得移动平台当前的精确位置；

b、把定位点作为起点，目的地作为终点，规划从起点到终点的全局静态路径；

c、判断当前位置是否为目的地，若是则执行步骤j，否则在全局静态路径上，选取移动平台当前位置前方特定距离的点作为阶段目标点；

d、判断是否到达阶段目标点：若是则执行步骤c，否则执行步骤e；

e、判断是否在全局静态路径上，若是则执行步骤f，否则执行步骤i；

f、当前运行路径上是否出现障碍物，若是则执行步骤h，否则执行步骤g；

g、移动平台按照全局静态路径运行，运行一段时间后执行定位流程，并跳转步骤d；

h、通过二维激光雷达1和深度摄像头2获取障碍物的轮廓信息，并补充、更新到地图中，重新设置阶段目标，执行性步骤i；

i、以阶段目标规划实时路径，纠正运行偏差，并在有障碍物的情况提供绕行路径；移动平台按照实时路径运行一段时间后，执行定位流程并跳转步骤d；

j、完成导航任务，嵌入式主控板7制动所有电机，关闭二维激光雷达1和深度摄像头2，并进入待机状态，等待新的呼叫信号到来或者关闭多传感器移动平台。

上述导航流程中提及的定位流程，如图5所示。导航过程中，每当嵌入式主控板7调用定位功能时，其具体执行流程如下：

a、嵌入式主控板7将来自电机驱动器10的位移增量与最新定位合成，作为移动平台参考定位，并在地图上标识出来；

b、把二维激光雷达1数据在参考位置中表示；

c、将二维地图上表示出的二维激光雷达1数据与该区域内的地图障碍物轮廓信息比较匹配：若满足匹配，执行步骤e，否则执行d步骤；

d、在二维地图上，将参考位置的临近位置作为新的参考位置，并执行步骤b；

e、将当前参考位置作为移动平台的精确位置，并清除不满足要求的参考位置。

综上所述，上述自主定位方法，是指嵌入式主控板7根据连续获取的位移增量预估移动平台参考位置，并在此基础上从获取的二维激光雷达1扫描数据得出的移动平台位置、从深度摄像头2扫描数据中计算出的障碍物位置，进行数据融合，并与已知的二维环境地图进行精确比较，得到移动平台当前精确位置，并发布位置信息。

上述自主导航与避障方法，是在精确定位的基础上，以最小耗费代价原则，进行路径规划(分为全局静态路径与阶段实时路径)，从而实现高效导航与准确避障。

上述多传感器信号获取，定位、导航和避障方法，均在移动平台自带的高速嵌入式主控板上完成，使得移动平台有很快的响应速度；远程及外围设备，主要起监控、呼叫调度作用；必要时候也可人工干预移动平台运行。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。