自建参考系的双六足机器人复杂地形三维立体测绘系统与方法与流程

本发明涉及了一种六足机器人三维立体测绘系统与方法，特别是一种自建参考系的双六足机器人复杂地形三维立体测绘系统与方法。

背景技术：

近年来，机器人技术日新月异，移动机器人是机器人技术领域的研究热点之一。我们急需一款机器人去探索未知的空间，并且能够适应恶劣的工作环境，到达生物无法涉足的区域，搜集更加精确的数据。传统的移动机器人主要包含履带式机器人、轮式机器人、足式机器人，虽然履带式机器人和轮式机器人速度快，但是对路面环境要求较高，在碎石、沙漠、山地的崎岖不平的路面容易翻车或者陷车，无法迅速的自主翻越障碍物。六足机器人是近几年应用比较多的一款仿生足式机器人产品，其对于复杂地形较好的适应性，稳定的运行状态使得它应用广泛。

本发明提出自建参考系的双六足机器人复杂地形三维立体测绘系统与方法具有明显优势，该平台能够适应凹凸不平、狭窄山路等非结构化的环境，具有良好的机动性、灵活性和适应性，准确度高，协调性好，在高负载的情况下依旧具备一定的爬坡能力和越障能力。

通过六足机器人平台搭载的图像采集模块能实时看到动态的画面，更为精确的监测六足机器人的运动。当前，惯性导航系统的技术越来越成熟，其主要是利用惯性传感器、基准方向以及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。惯性导航系统不需要依赖任何外界的信息，只依靠本身就能得到导航所需要的各个参数，具有误差小、精度高、工作独立性强、隐蔽性好的特点。虽然惯性导航系统具有很多优点，但误差会随着时间积累，并且每次使用都需要进行初始化校准，所以可以和全球卫星定位系统进行组合，使用组合导航系统，依靠定位误差不随时间积累的导航系统提供的信息进行补偿来抑制惯性导航随时间积累产生的误差。使用单个六足机器人只能依赖惯性导航和全球卫星定位系统作为参考，导航定位系统平台会出现定位精度低的情况，而本发明所采用的自建参考系的双六足机器人复杂地形三维立体测绘系统与方法可以实现两个平台交替作为参考系，其中一个平台同时以组合导航系统提供的数据和另一个平台提供的数据作为参考，提高了定位精度和测量精度，通过无线通信方式实时的进行数据交互，减少采集数据的误差，提高了绘制三维立体图形的效率和精度。

技术实现要素：

本发明目的在于针对目前单个六足机器人平台定位精度较低，提出一种自建参考系的双六足机器人复杂地形三维立体测绘系统与方法，其操作简单，性能优异，数据误差小，能够适用各种山地等复杂地形的测绘。

为了达到上述的目的，本发明采用如下的技术方案：

一种自建参考系的双六足机器人复杂地形三维立体测绘系统，可使六足机器人在室外各种环境进行自主巡航，并能通过自建参考系的方式实时校准位置信息。该系统通过无线方式进行组网，搭配无人机进行数据传输，采集的数据通过对比后输出，具有很高的精确度。其系统主要由处理中心单元、无人机中继单元、巡航测量子系统甲、巡航测量子系统乙组成，其基本特征在于：上述处理中心单元与无人机中继单元之间以有线方式和无线方式连接；上述无人机中继单元与巡航测量子系统甲、巡航测量子系统乙之间以无线方式连接。

巡航测量子系统甲与巡航测量子系统乙分别安装在两个不同的六足机器人平台中。

上述巡航测量子系统甲包括：传感器单元甲、无线收发单元甲、主控板单元甲、舵机控制板单元甲、六足机器人甲和节能电源控制模块，上述主控板单元甲连接传感器单元甲、无线收发单元甲、舵机控制板甲，上述舵机控制板甲连接六足机器人甲，上述节能电源控制模块连接传感器单元甲、无线收发单元甲、主控板单元甲、舵机控制板单元甲、六足机器人甲。

上述巡航测量子系统乙包括：传感器单元乙、无线收发单元乙、主控板单元乙、舵机控制板单元乙、六足机器人乙和节能电源控制模块乙，上述主控板单元乙连接传感器单元乙、无线收发单元乙、舵机控制板单元乙，上述舵机控制板单元乙连接六足机器人乙，上述节能电源控制模块乙连接传感器单元乙、无线收发单元乙、主控板单元乙、舵机控制板单元乙、六足机器人乙。

上述传感器单元甲包括：图像采集模块甲、障碍物检测模块甲、惯性导航模块甲和全球卫星定位模块甲，上述图像采集模块甲、障碍物检测模块甲、惯性导航模块甲、全球卫星定位模块甲连接主控板单元甲。

上述传感器单元乙包括：图像采集模块乙、障碍物检测模块乙、惯性导航模块乙和全球卫星定位模块乙，所示图像采集模块乙、障碍物检测模块乙、惯性导航模块乙、全球卫星定位模块乙连接主控板单元乙。

上述定位系统和导航系统，在六足机器人巡航工程中，对巡航信息进行修正。

一种自建参考系的双六足机器人复杂地形三维立体测绘方法，采用上述系统进行操作，其特征在于：操作路线流程包括：1）巡航测量子系统甲与巡航测量子系统乙路线流程，2）巡航测量子系统甲绕行路线流程，3）巡航测量子系统甲上行下行路线流程，4）巡航测量子系统乙绕行路线流程，5）巡航测量子系统乙上行下行路线流程，6）巡航测量子系统甲与巡航测量子系统乙数据交互流程。

上述操作步骤巡航测量子系统甲与巡航测量子系统乙路线流程：巡航测量子系统甲从巡航测量子系统甲起点与巡航测量子系统乙从巡航测量子系统乙起点以等间隔距离、相同速度按照上行方向同时出发，巡航测量子系统乙在此过程自建参考系，在到达上边界时，巡航测量子系统甲从上边界的下方绕行到巡航测量子系统乙的右侧等间隔处，并调转方向至下行方面，巡航测量子系统乙原地调转方向180度至下行方向，巡航测量子系统甲以巡航测量子系统乙为参考系等间隔等速按照下行方向移动，此过程中巡航测量子系统甲（3）开始自建参考系，到达下边界时，巡航测量子系统乙从下边界的上方绕行到巡航测量子系统甲的右侧等间隔处，并调转方向至上行方向，巡航测量系统甲原地调转方向180度至上行方向，巡航测量子系统乙以巡航测量子系统甲为参考系等间隔、等速按照上行方向移动，此过程中巡航测量子系统乙开始自建参考系。

上述操作步骤巡航测量子系统甲绕行路线流程：主控板单元甲根据全球卫星定位模块甲采集的数据判断是否到达上边界或者下边界，如果没有到达上边界或者下边界则舵机控制板单元甲执行前进指令并控制六足机器人甲继续前进；如果是到达了上边界或者下边界，则主控板单元甲根据惯性导航模块甲采集的数据判断巡航测量子系统甲是上行方向还是下行方向，如果是下行方向，舵机控制板单元甲执行旋转指令并控制六足机器人甲调转车头方向180度到上行方向，如果是上行方向，舵机控制板单元甲执行绕行指令并控制六足机器人甲从上边界的下方绕行到六足机器人乙右侧的等间隔处，然后舵机控制板单元甲执行旋转指令并控制六足机器人甲调整车头方向至下行方向；然后主控板单元甲根据全球卫星定位模块甲的数据判断是否到达了上边界终点或者下边界终点，如果没有到达上边界终点或者下边界终点，则舵机控制板单元甲执行前进指令并控制六足机器人甲前进，如果到达了上边界终点或者下边界终点则巡航子系统甲停止移动。

上述操作步骤巡航测量子系统甲上行下行路线流程：传感器单元甲等时间间隔地采集数据，主控板单元甲接收并处理传感器单元甲中图像采集模块甲和障碍物检测模块甲中的数据，主控板单元甲将接收并处理后的新数据和原有数据进行对比，并判断对比后的数据是否有异常，如果有异常，则还要判断出异常的种类，根据异常的种类执行相应的避障程序并将对应指令传递给舵机控制板单元甲，执行相应指令并控制六足机器人甲避障；如果判断没有异常，主控板单元甲根据全球卫星定位模块甲的数据判断是否到达上边界终点或者下边界终点，如果没有到达上边界终点或者下边界终点则将数据以无线方式通过无线传输单元甲发送给无人机中继单元，并将数据通过有线或者无线方式传递给处理中心单元，存储、处理数据，然后舵机控制板单元甲执行前进指令控制六足机器人甲前进；如果是到达了上边界终点或者下边界终点则巡航测量子系统甲停止移动。

上述操作步骤巡航测量子系统乙绕行路线流程：主控板单元乙根据全球卫星定位模块乙采集的数据判断是否到达上边界或者下边界，如果没有到达上边界或者下边界则舵机控制板单元乙执行前进指令并控制六足机器人乙继续前进；如果是到达了上边界或者下边界，则主控板单元乙根据惯性导航模块乙采集的数据判断巡航测量子系统乙是上行方向还是下行方向，如果是上行方向，舵机控制板单元乙执行旋转指令并控制六足机器人乙调转车头方向180度到下行方向，如果是下行方向，舵机控制板单元乙执行绕行指令并控制六足机器人乙从下边界的上方绕行到六足机器人乙右侧的等间隔处，然后舵机控制板单元乙执行旋转指令并控制六足机器人乙调整车头方向至上行方向；然后主控板单元乙根据全球卫星定位模块乙的数据判断是否到达了上边界终点或者下边界终点，如果没有到达上边界终点或者下边界终点，则舵机控制板单元乙执行前进指令并控制六足机器人乙前进，如果到达了上边界终点或者下边界终点则巡航子系统乙停止移动。

上述操作步骤巡航测量子系统乙上行下行路线流程：传感器单元乙等时间间隔地采集数据，主控板单元乙接收并处理传感器单元乙中图像采集模块乙和障碍物检测模块乙中的数据，主控板单元乙将接收并处理后的新数据和原有数据进行对比，并判断对比后的数据是否有异常，如果有异常，则还要判断出异常的种类，根据异常的种类执行相应的避障程序并将对应指令传递给舵机控制板单元乙，执行相应指令并控制六足机器人乙避障；如果判断没有异常，主控板单元乙根据全球卫星定位模块乙的数据判断是否到达上边界终点或者下边界终点，如果没有到达上边界终点或者下边界终点则将数据以无线方式通过无线传输单元乙发送给无人机中继单元，并将数据通过有线或者无线方式传递给处理中心单元，存储、处理数据，然后舵机控制板单元乙执行前进指令控制六足机器人乙前进；如果是到达了上边界终点或者下边界终点则巡航测量子系统乙停止移动。

上述操作步骤当以巡航测量子系统甲为参考系时，主控板单元甲接收并处理全球卫星定位模块甲等时间间隔采集的数据，并将无线收发单元甲设置为发送状态，与此同时，主控板单元乙接收并处理全球卫星定位模块乙等时间间隔采集的数据，并将无线收发单元乙设置为接收状态，然后无线收发单元甲将数据以无线方式发送给无线收发单元乙，主控板单元乙将采集的数据和无线收发单元乙接收的数据进行比较判断是否和六足机器人甲相距固定间隔，如果不是固定间隔，则舵机控制板单元乙执行同步指令控制六足机器人乙保持与六足机器人甲等间隔距离，如果是等间隔距离则继续执行循环；当以巡航测量子系统乙为参考系时，主控板单元乙将无线收发单元乙设置为发送状态，与此同时，主控板单元甲将无线收发单元甲设置为接收状态，无线收发单元甲接收来自无线收发单元乙的数据，然后主控板单元甲将采集的数据与无线收发单元甲接收的数据进行比对判断是否和六足机器人乙相距固定间隔，如果不是固定间隔，则舵机控制板单元执行同步指令控制六足机器人甲保持与六足机器人乙等间隔距离，然后执行循环，如果是等间隔距离则继续执行循环。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的技术进步：本发明不仅可以在普通路面上进行地形绘制，还可以在复杂地形或者人类无法涉足的环境中进行三维立体测绘，可适用于多种环境。本发明系统结构简单，操作简便，性能优越，适合于各种复杂地形的三维立体测绘。

附图说明

图1是本发明一个示例系统结构图。

图2是图1示例的巡航测量子系统路线流程图。

图3是图1示例的巡航测量子系统甲绕行路线流程图。

图4是图1示例的巡航测量子系统甲上行下行路线流程图。

图5是图1示例的巡航测量子系统乙绕行路线流程图。

图6是图1示例的巡航测量子系统乙上行下行路线流程图。

图7是图1示例的巡航测量子系统数据交互流程图。

具体实施方式

本发明的优先实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1，本自建参考系的双六足机器人复杂地形三维立体测绘系统，包括处理中心单元（1）、无人机中继单元（2）、巡航测量子系统甲（3）和巡航测量子系统乙（4），其基本特征在于：所述处理中心单元（1）与无人机中继单元（2）之间以有线方式和无线方式连接；所述无人机中继单元（2）与巡航测量子系统甲（3）、巡航测量子系统乙（4）之间以无线方式连接。所述巡航测量子系统甲（3）与巡航测量子系统乙（4）分别安装在两个不同的六足机器人平台中。

实施例二：本实例与实施例一基本相同，特别之处如下：

参见图1，巡航测量子系统甲（3）包括：传感器单元甲（3.1）、无线收发单元甲（3.2）、主控板单元甲（3.3）、舵机控制板单元甲（3.4）、六足机器人甲（3.5）和节能电源控制模块（3.6），所述主控板单元甲（3.3）连接传感器单元甲（3.1）、无线收发单元甲（3.2）、舵机控制板甲（3.4），所述舵机控制板甲（3.4）连接六足机器人甲（3.5），所述节能电源控制模块（3.6）连接传感器单元甲（3.1）、无线收发单元甲（3.2）、主控板单元甲（3.3）、舵机控制板单元甲（3.4）、六足机器人甲（3.5）。

参考图1，巡航测量子系统乙（4）包括：传感器单元乙（4.1）、无线收发单元乙（4.2）、主控板单元乙（4.3）、舵机控制板单元乙（4.4）、六足机器人乙（4.5）和节能电源控制模块乙（4.6），所述主控板单元乙（4.3）连接传感器单元乙（4.1）、无线收发单元乙（4.2）、舵机控制板单元乙（4.3），所述舵机控制板单元乙（4.4）连接六足机器人乙（4.5），所述节能电源控制模块乙（4.6）连接传感器单元乙（4.1）、无线收发单元乙（4.2）、主控板单元乙（4.3）、舵机控制板单元乙（4.4）、六足机器人乙（4.5）。

参考图1，传感器单元甲（3.1）包括：图像采集模块甲（3.1.1）、障碍物检测模块甲（3.1.2）、惯性导航模块甲（3.1.3）和全球卫星定位模块甲（3.1.5），所述图像采集模块甲（3.1.1）、障碍物检测模块甲（3.1.2）、惯性导航模块甲（3.1.3）、全球卫星定位模块甲（3.1.4）连接主控板单元甲（3.3）。

参考图1，传感器单元甲（4.1）包括：图像采集模块乙（4.1.1）、障碍物检测模块乙（4.1.2）、惯性导航模块乙（4.1.3）和全球卫星定位模块乙（4.1.4），所示图像采集模块乙（4.1.1）、障碍物检测模块乙（4.1.2）、惯性导航模块乙（4.1.3）、全球卫星定位模块乙（4.1.4）连接主控板单元乙（4.3）。

实施例三：本自建参考系的双六足机器人复杂地形三维立体测绘方法采用上述进行操作，其特征包括如下操作路线流程：1）巡航测量子系统甲与巡航测量子系统乙路线流程（5），2）巡航测量子系统甲绕行路线流程（6），3）巡航测量子系统甲上行下行路线流程（7），4）巡航测量子系统乙绕行路线流程（8），5）巡航测量子系统乙上行下行路线流程（9），6）巡航测量子系统甲与巡航测量子系统乙数据交互流程（10）。

实施例四：本实例与实施例三基本相同，特别之处在于如下：

参见图2，操作步骤巡航测量子系统甲与巡航测量子系统乙路线流程（5）：巡航测量子系统甲（3）从巡航测量子系统甲起点与巡航测量子系统乙（4）从巡航测量子系统乙起点以等间隔距离、相同速度按照上行方向同时出发，巡航测量子系统乙在此过程自建参考系，在到达上边界时，巡航测量子系统甲（3）从上边界的下方绕行到巡航测量子系统乙的右侧等间隔处，并调转方向至下行方面，巡航测量子系统乙（4）原地调转方向180度至下行方向，巡航测量子系统甲（3）以巡航测量子系统乙（4）为参考系等间隔、等速按照下行方向移动，此过程中巡航测量子系统甲（3）开始自建参考系，到达下边界时，巡航测量子系统乙（4）从下边界的上方绕行到巡航测量子系统甲（3）的右侧等间隔处，并调转方向至上行方向，巡航测量系统甲（3）原地调转方向180度至上行方向，巡航测量子系统乙（4）以巡航测量子系统甲（3）为参考系等间隔等速按照上行方向移动，此过程中巡航测量子系统乙开始自建参考系。

参见图3，操作步骤巡航测量子系统甲绕行路线流程（6）：主控板单元甲（3.3）根据全球卫星定位模块甲（3.1.4）采集的数据判断是否到达上边界或者下边界，如果没有到达上边界或者下边界则舵机控制板单元甲（3.4）执行前进指令并控制六足机器人甲（3.5）继续前进；如果是到达了上边界或者下边界，则主控板单元甲（3.3）根据惯性导航模块甲（3.1.3）采集的数据判断巡航测量子系统甲（3）是上行方向还是下行方向，如果是下行方向，舵机控制板单元甲（3.4）执行旋转指令并控制六足机器人甲（3.5）调转车头方向180度到上行方向，如果是上行方向，舵机控制板单元甲（3.4）执行绕行指令并控制六足机器人甲（3.5）从上边界的下方绕行到六足机器人乙（4.5）右侧的等间隔处，然后舵机控制板单元甲（3.4）执行旋转指令并控制六足机器人甲（3.5）调整车头方向至下行方向；然后主控板单元甲（3.3）根据全球卫星定位模块甲（3.1.4）的数据判断是否到达了上边界终点或者下边界终点，如果没有到达上边界终点或者下边界终点，则舵机控制板单元甲（3.4）执行前进指令并控制六足机器人甲（3.5）前进，如果到达了上边界终点或者下边界终点则巡航子系统甲（3）停止移动。

参见图4，操作步骤巡航测量子系统甲上行下行路线流程（7）：传感器单元甲（3.1）等时间间隔地采集数据，主控板单元甲（3.3）接收并处理传感器单元甲（3.1）中图像采集模块甲（3.1.1）和障碍物检测模块甲（3.1.2）中的数据，主控板单元甲（3.3）将接收并处理后的新数据和原有数据进行对比，并判断对比后的数据是否有异常，如果有异常，则还要判断出异常的种类，根据异常的种类执行相应的避障程序并将对应指令传递给舵机控制板单元甲（3.4），执行相应指令并控制六足机器人甲（3.5）避障；如果判断没有异常，主控板单元甲（3.3）根据全球卫星定位模块甲（3.1.4）的数据判断是否到达上边界终点或者下边界终点，如果没有到达上边界终点或者下边界终点则将数据以无线方式通过无线传输单元甲（3.2）发送给无人机中继单元（2），并将数据通过有线或者无线方式传递给处理中心单元（1），存储、处理数据，然后舵机控制板单元甲（3.4）执行前进指令控制六足机器人甲（3.5）前进；如果是到达了上边界终点或者下边界终点则巡航测量子系统甲停止移动。

参见图5，操作步骤巡航测量子系统乙绕行路线流程（8）：主控板单元乙（4.3）根据全球卫星定位模块乙（4.1.4）采集的数据判断是否到达上边界或者下边界，如果没有到达上边界或者下边界则舵机控制板单元乙（4.4）执行前进指令并控制六足机器人乙（4.5）继续前进；如果是到达了上边界或者下边界，则主控板单元乙（4.3）根据惯性导航模块乙（4.1.3）采集的数据判断巡航测量子系统乙（4）是上行方向还是下行方向，如果是上行方向，舵机控制板单元乙（4.4）执行旋转指令并控制六足机器人乙（4.5）调转车头方向180度到下行方向，如果是下行方向，舵机控制板单元乙（4.4）执行绕行指令并控制六足机器人乙（4.5）从下边界的上方绕行到六足机器人乙（4.5）右侧的等间隔处，然后舵机控制板单元乙（4.4）执行旋转指令并控制六足机器人乙（4.5）调整车头方向至上行方向；然后主控板单元乙（3.3）根据全球卫星定位模块乙（4.1.1）的数据判断是否到达了上边界终点或者下边界终点，如果没有到达上边界终点或者下边界终点，则舵机控制板单元乙（4.4）执行前进指令并控制六足机器人乙（4.5）前进，如果到达了上边界终点或者下边界终点则巡航子系统乙（4）停止移动。

参见图6，操作步骤巡航测量子系统乙上行下行路线流程（9）：传感器单元乙（4.1）等时间间隔地采集数据，主控板单元乙（4.3）接收并处理传感器单元乙（4.1）中图像采集模块乙（4.1.1）和障碍物检测模块乙（4.1.2）中的数据，主控板单元乙（4.3）将接收并处理后的新数据和原有数据进行对比，并判断对比后的数据是否有异常，如果有异常，则还要判断出异常的种类，根据异常的种类执行相应的避障程序并将对应指令传递给舵机控制板单元乙（4.4），执行相应指令并控制六足机器人乙（4.5）避障；如果判断没有异常，主控板单元乙（4.3）根据全球卫星定位模块乙（4.1.4）的数据判断是否到达上边界终点或者下边界终点，如果没有到达上边界终点或者下边界终点则将数据以无线方式通过无线传输单元乙（4.2）发送给无人机中继单元（2），并将数据通过有线或者无线方式传递给处理中心单元（1），存储、处理数据，然后舵机控制板单元乙（4.4）执行前进指令控制六足机器人乙（4.5）前进；如果是到达了上边界终点或者下边界终点则巡航测量子系统乙停止移动。

参见图7，操作步骤当以巡航测量子系统甲（3）为参考系时，主控板单元甲（3.3）接收并处理全球卫星定位模块甲（3.1.4）等时间间隔采集的数据，并将无线收发单元甲（3.2）设置为发送状态，与此同时，主控板单元乙（4.3）接收并处理全球卫星定位模块乙（4.1.4）等时间间隔采集的数据，并将无线收发单元乙（4.2）设置为接收状态，然后无线收发单元甲（3.2）将数据以无线方式发送给无线收发单元乙（4.2），主控板单元乙（4.3）将采集的数据和无线收发单元乙（4.2）接收的数据进行比较判断是否和六足机器人甲相距固定间隔，如果不是固定间隔，则舵机控制板单元乙（4.4）执行同步指令控制六足机器人乙（4.5）保持与六足机器人甲（3.5）等间隔距离，如果是等间隔距离则继续执行循环；当以巡航测量子系统乙（4）为参考系时，主控板单元乙（4.3）将无线收发单元乙（4.2）设置为发送状态，与此同时，主控板单元甲（3.3）将无线收发单元甲（3.2）设置为接收状态，无线收发单元甲（3.2）接收来自无线收发单元乙（4.2）的数据，然后主控板单元甲（3.3）将采集的数据与无线收发单元甲（3.2）接收的数据进行比对判断是否和六足机器人乙（4.5）相距固定间隔，如果不是固定间隔，则舵机控制板单元（3.4）执行同步指令控制六足机器人甲（3.5）保持与六足机器人乙（4.5）等间隔距离，然后执行循环，如果是等间隔距离则继续执行循环。