一种基于射频识别锚点的数字地图拼接方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种数字地图拼接方法，具体设及一种基于射频识别错点的栅格地图 拼接方法，属于多移动机器人协同创建数字地图技术领域。
【背景技术】
[0002] 地图拼接是多移动机器人协同创建环境地图中的关键技术，随着环境规模的不断 扩大，单移动机器人创建地图的方式在精度、鲁棒性W及计算效率等性能方面受到了严重 的制约。与单移动机器人相比，多移动机器人系统在执行指定任务时，在精度、鲁棒性和效 率等方面具有十分优越的性能。但多移动机器人协同创建地图的过程是非常复杂的，其所 面临的一个重要问题是如何实现地图拼接，即多个移动机器人在同一环境中分别探索不同 区域，并创建独立的环境地图，最终将各自所创建的地图拼接成大规模的环境地图。
[0003] 现阶段的地图拼接方法流程一般为:首先对两幅地图进行特征提取得到特征点； 通过进行相似性度量找到匹配的特征点对;然后通过匹配的特征点对得到图像空间坐标变 换参数;最后由坐标变换参数进行地图拼接。而特征提取是地图拼接技术中的关键，准确的 特征提取为特征匹配的成功进行提供了保障。因此，寻求具有良好不变性和准确性的特征 提取方法，对于匹配精度至关重要。
[0004] 射频识别技术基本工作原理是将电子标签附着在被识别物体的表面或内部中，当 被标记的对象处于读写器的可读取范围内时，电子标签和读写器之间将自动建立起无线电 磁波或交变磁场方式的通信链路，读写器根据控制器需求或自动的W无接触的方式获取电 子标签中所存储的识别信息（如编号、位置数据等等），接收后读写器对信息进行解码并将 结果传至后台控制器进行综合处理，从而完成整个信息的读取过程。由于射频识别标签易 于存储位置数据，在机器人建立地图时W运些位置数据为基础建立错点，成为一种具有良 好不变性和准确性的特征提取方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为解决上述现有技术存在的问题和不足，提供一种基于射频识别 错点的数字地图拼接方法，本发明的方法能够有效提高特征点提取的不变性和准确性，并 且减少计算量。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用W下技术方案：
[0007] -种基于射频识别错点的数字地图拼接方法，包括W下步骤：
[0008] 步骤(1):建立带有射频识别错点的数字地图；
[0009] 步骤(2):在各自地图中提取特征点，并建立对应关系；
[0010] 步骤(3):使用RANSAC算法挑选出有效的特征对，计算初始拼接参数；
[0011] 步骤(4): W初始拼接参数为基础，使用ICP算法计算刚体变换参数，完成对地图的 刚体变换；
[0012] 步骤(5):提出针对栅格地图的拼接规则，对刚体变换后的地图进行拼接。
[0013] 上述步骤(1)所述的建立带有射频识别错点的数字地图的具体步骤为：
[0014] 步骤①:启动机器人并加载激光雷达和射频识别模块；
[0015] 步骤②:机器人使用激光雷达进行即时定位和地图创建；
[0016] 步骤③:在地图中加入射频识别错点。
[0017] 上述步骤(2)所述的特征点为射频识别错点。
[0018] 上述步骤(3)所述的计算初始拼接参数，方法如下:设步骤(1)中建立的地图为P和 Q，两幅地图中的射频识别错点集合分别为P 二'掉妓P自为P的子集，它代 表地图P与Q重叠区域的射频识别错点集合，其中C定义为点集P的重叠百分比，从地图P和Q 中提取并建立特征对为拆搔1，巧中第i组特征对中的Fi,P和Fi,Q分别表示地图巧PQ中 的射频识别错点，运些射频识别错点在各自地图中的位置分别为fi,p和fi,Q，设T={R，t}为 拼接地图的近似解，其中R是由旋转角e所确定的二维旋转矩阵，t为二维的列向量，设{Fi,P， Fi, Q } i为一组有效特征对，一组特征对中的元素对应空间中的同一个位置，则I I Rf i, P+t-fi, Q h - 0,设变量No和r的初值为0,根据RANSAC算法挑选有效特征对并计算初始拼接参数的步 骤如下：
[0019] 步骤①：设置r = r+l，并随机选取两组特征对i =m，i =n;
[0020] 步骤②:将化^击1,9}1=",。带入下式
[0022] 计算获得一组拼接参数Tr= {Rr，tr};
[0023] 步骤③:根据最新获得的参数Tr，将地图P中所有的特征点位置转换到地图Q的坐 标系下與Vf!'、P + 巧蓋 i，并计算 di= MRrfi,P+tr-fi,Q||2;
[0024] 步骤④:设定阔值为dthr，统计满足di含dthr的错点特征对的数目Nr，当Nr>N〇，则设 置 No = Nr;
[002引步骤⑤:重复步骤①-④，直到达至Ijr次，最后用找到的No个有效特征对来计算初始 拼接参数To= {Ro, to}。
[0026] 上述步骤(4)所述的使用ICP算法计算刚体变换参数，其具体步骤如下：
[0027] 在得出初始拼接参数To= {Ro，to}后运用ICP算法中的迭代思想来求解刚体变换参 数。求解步骤如下：
[00%]步骤①:基于前一次迭代获得的刚体变换(Rk-I，tk-1)，建立特征点之间的对应关 系：
[0030] 选择最近特征点建立特征点对按媒燃,保留特征点Pi与对应特征点嫁之间 的欧式距离麥;&。辩；
[0031] 步骤②:根据当前建立的特征点对应关系，计算重叠百分比Ck,并更新相应的子集 P化：
[0033] 为求解上式，采用如下的方式:根据步骤①所保留的欧氏距离機，按升序方式 对所有的特征点对辩行排序，获得排序队列;采用累加方式，逐个遍历排序后的 特征点对并计算步骤①中的目标函数值Ck(i);待遍历完所有的特征点对后，确定最小目标 函数值所对应的特征点对在队列中的位置标号IkW计算当前最优的重叠百分比扣=(ik/ Np)，并使用排序队列中的前Ik个特征点对更新子集化，其中点代表待拼接栅格地图的重叠 百分比；
[0034] 步骤③:利用更新后的子集P&，使用下式计算刚体变换参数化={Rk，tk}
[0036] 重复执行步骤①-③，直到满足!％…踩...3! < *::或者迭代次数k达到最大次数K，其 中％ -玄;邮巧&!巧淡手$…得娩辨！!/!巧寺ICP算法满足迭代停止条件后，即获得精确 的刚体变换参数化=IRk,tk}，通过刚体变换参数对地图P进行相应的旋转和平移，获得刚体 变换后的地图为T(P)D
[0037] 上述步骤(5)所述的提出针对栅格地图的拼接规则是W像素为单位进行拼接。
[003引本发明的优点和有益效果：
[0039] 1、本发明使用射频识别错点作为特征点，代替了 W往的对图像进行预处理从而提 取特征的过程，具有良好的不变性和准确性，并且更加的快速；
[0040] 2、本发明所述的地图拼接方法对地图精度的依赖性很小，对于精度不高的地图同 样可W完成良好的拼接，而且不受外界环境的影响，在复杂多变、有噪声干扰的环境下一样 可W得出良好的结果；
[0041] 3、本发明所述的地图拼接方法适用于多机器人协作构建环境地图，计算量小、准 确度高，能提高多机器人协作构图的精度、鲁棒性和效率；
【附图说明】
[0042] 图1为本发明基于射频识别错点的数字地图拼接方法的步骤流程图，
[0043] 图2为机器人创建含有射频识别错点的数字地图的步骤流程图，
[0044] 图3为两幅栅格地图拼接示意图，
[0045] 图4为两幅栅格地图融合规则。
【具体实施方式】
[0046] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明， 并不用于限定本发明。
[0047] 如图1所示，为本发明的基于射频识别错点的数字地图拼接方法，步骤如下：
[0048] 步骤(1):建立带有射频识别错点的数字地图；
[0049] 步骤(2):在各自地图中提取特征点，并建立对应关系；
[0050] 步骤(3):使用RANSAC算法挑选出有效的特征对，计算初始拼接参数；
[0051] 步骤(4): W初始拼接参数为基础，使用ICP算法计算刚体变换参数，完成对地图的 刚体变换；
[0052] 步骤(5):提出针对栅格地图的拼接规则，对刚体变换后的地图进行拼接。
[0053] 根据上述步骤(1)所述，如图2所示，建立带有射频识别错点的数字地图步骤如下：
[0054] 步骤①:启动移动机器人A和B，并加载相应的模块，在每个机器人所在环境中布置 右干个射频识别柄签，柄签中存储着全局坐柄；
[0055] 步骤②:控制移动机器人个体A和B在各自所在的房间旋转一周，采用激光雷达获 取环境的障碍物数据信息，一次扫描可W得到1080个环境点数据(范围270%间隔0.25°)， 运些数据是W激光雷达中屯、为极点的极坐标系表示的局部坐标(山，01)，其中01 = 1X0.2531 -270,第i个点在全局坐标下的坐标为：
[0056] xi = xk+diC〇s 目 icosak+disin 目 isinak (1)
[0057] yi = yk+diC〇s 目 isinak+disin 目 icosak (2)
[0化引其中（祉，yk)是k时刻激光雷达在全局坐标系中的坐标，Qk为k时刻激光雷达主轴与 全局坐标系X轴的夹角，d康示k时刻激光雷达与第i个特征点之间的距离。
[0059] 步骤③：将所得的激光雷达数据进行滤波处理，使用ROS机器人操作系统中的 Gmapping来分析和生成环境地图。
[0060] 步骤④：W事先在环境中布置好的射频识别标签为依据，在生成的地图中加入射 频识别错点，运些射频识别错点作为W后地图拼接中的不变特征。
[0061] 为了实现地图拼接，需要计算两幅地图之间的刚体变换T=体，t}，其中R是由旋转角0 所确定的二维旋转矩阵，*为二维的列向量，3和*的表达式为:11^^0^^ 给定同一环境下不同区域的栅格地图P和Q，地图拼接的目标就是准确的计算出拼接参数T = {R，t}，地图P通过刚体变换后的地图为T(P),使之与地图Q进行匹配，然后再完成拼接。
[0062] 为了保证地图拼接取得较好的结果，需要从每张地图中提取特征点，通过建立不 同地图之间特征点对应关系的方式，计算初始拼接参数，本发明中特征点是前面步骤中建 立的射频识别错点，每个射频识别错点中存储着全局坐标，利用运些坐标建立特征点的对 应关系D
[0063] 根据上述步骤(3)所述