一种室外SLAM智能小车的制作方法

文档序号:17940826发布日期:2019-06-18 23:04阅读:1343来源:国知局
一种室外SLAM智能小车的制作方法

本发明涉及一种用于室外环境中同时定位与地图创建(slam)的智能小车,属于移动机器人领域。



背景技术:

作为机器人导航研究的一个分支,同时定位与地图创建(slam)理论研究发展迅速,然而,可用于室外slam研究的实验平台却非常有限。一些研究机构采用简单的移动底盘配合里程计、视觉传感器等搭建而成,其功能非常有限,且稳定性不佳,这些简单的slam实验平台由各个研究机构自身开发和使用,仅限于研究用途。另有一些商业化的slam平台,如mobilerobots公司(被adept公司并购)的pioneer系列移动机器人,此类机器人的性能稳定,但是其底层源代码保密,关键的硬件驱动程序和传感器数据采集处理程序不开源,用户只能基于其底层接口函数编写应用程序,要在这些商业化机器人的基础上扩展硬件和软件极为困难,更为关键的是,商业化的室外slam平台价格昂贵,目前在中国很难广泛应用。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供室外环境中机器人slam的智能小车,与现有室外环境中的slam平台相比,能够有效地提高slam过程的可靠性、降低slam平台的经济成本。

为了解决上述技术问题,本发明是通过以下技术方案实现的:室外slam智能小车由移动平台、传感器系统和计算机系统组成,其中,移动平台是智能小车的运动载体,用来实现整个智能小车的运动,传感器系统由光电编码器、陀螺仪、无线传感器、激光测距仪和双目立体视觉系统组成,用来采集实现可靠slam所需的各种传感器信息,计算机系统包括包括下位机和便携式计算机系统,便携式计算机系统用来运行机器人操作系统(ros)和slam程序。

优选的,所述移动平台是室外slam智能小车的本体,选用迷你电动小汽车或二手紧凑型小汽车;稳定可靠、经济成本低。

优选的,所述光电编码器的基体安装在小车的车体上,光电编码器的转轴随车轮转动,编码器的测量信号经下位机处理后可以得到车轮的转动速度。

优选的,所述陀螺仪安装在小车的内部,采用其测量信号可得到小车的航向信息,用来校正智能小车的航向信息。

优选的,所述无线传感器的主控部分安装在小车内部,通过串口或usb接口与便携式计算机相连,无线传感器的节点布置在slam环境中,当小车在环境中移动时实现对小车在特定位置的定位。

优选的,所述激光测距仪采用德国sick公司的高精度系列产品,通过自制支架安装在小车顶部平面,采用其测量信息检测小车前方180度范围内的障碍物信息;测量精度高。

优选的,所述双目立体视觉系统安装在小车上,采用其测量信息经便携式计算机系统处理后可以得到环境的灰度、光强、深度以及颜色等信息。

所述便携式计算机系统是实现机器人slam的核心,其硬件采用笔记本电脑,软件由操作系统和slam程序两部分组成,其中,一级操作系统采用ubuntu系统,ubuntu是由全球化的专业开发团队canonicalltd打造的开源gnu/linux操作系统,二级操作系统采用机器人操作系统ros(robotoperatingsystem),ros提供了硬件抽象、设备驱动、库函数、可视化、消息传递和软件包管理等诸多功能,slam程序采用全球slam社区的成熟开源软件,可以实现机器人slam过程中的可靠定位,并且创建室外环境的栅格地图和特征地图;硬件和软件通用性好、经济成本低。

与现有技术相比,本发明的有益之处在于:(1)由于采用通用的迷你电动小汽车或便宜的二手小汽车作为移动平台,其稳定性远高于特制的机器人移动平台,并且成本极低,其价格远远低于特制的机器人移动平台;(2)传感器系统完备,用户可以采集智能小车自身的速度和航向等信息,并且可以采集周围环境的信标、障碍、距离、灰度以及颜色等信息,借助这些传感器信息可以实现slam功能,对环境的适应性强;(3)便携式计算机系统的硬件采用笔记本电脑,操作系统和slam程序是免费开源的,因此,便携式计算机系统使用方便、成本低,实用性极佳。

附图说明

图1是本发明的系统结构图;

图2是光电编码器的安装示意图;

图3是激光测距仪的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示,室外slam智能小车包括移动平台1、传感器系统和计算机系统7,其中,传感器系统包括光电编码器2、陀螺仪3、无线传感器4、激光测距仪5和双目立体视觉系统6,用来采集实现可靠slam所需的各种传感器信息,移动平台1采用四轮的运动载体,用来实现整个智能小车的运动,计算机系统7包括下位机系统和便携式计算机系统,便携式计算机系统用来运行机器人操作系统ros和slam程序。

如图2所示,光电编码器2的基体通过过盈配合卡装在套筒8上,套筒8用紧固螺栓安装在支架9上,支架9通过紧固螺栓安装在小车上,光电编码器2的转轴与摩擦轮10连接,摩擦轮10与小车的后轮接触。光电编码器接入电源即开始工作,光电编码器的基体相对小车本体静止,小车后轮旋转带动光电编码器的转轴等速旋转,光电编码器的信号线输出a相和b相脉冲信号,a、b相脉冲信号经下位机处理后可以得到车轮的转动速度。

陀螺仪3、无线传感器4和下位机使用热熔胶安装在小车内部,下位机与光电编码器2用杜邦线连接,便携式计算机系统放置在小车内部,其位置可以挪动。便携式计算机系统与各个传感器用usb接口相连,由于传感器数量较多,使用一个usb扩展器,将便携式计算机系统的一个usb接口扩展为4个接口,陀螺仪、无线传感器和下位机的测量信息量较小,它们接在usb扩展器上。

如图3所示,激光测距仪5安装在装夹机构11上,装夹机构紧固在小车1的顶部平面,在小车1的行驶过程中,激光测距仪不断地向前方180°范围进行扫描,检测前方是否存在物体,并返回障碍物的距离,激光测距仪返回的扫描数据由便携式计算机系统采集,并经机器人操作系统ros处理发布。

双目立体视觉系统6使用热熔胶安装在小车1上,双目立体视觉系统检测环境中物体的颜色、灰度以及深度等信息,用来辅助定位和创建地图。

室外slam智能小车工作时,将各个传感器先安装好,并将各个传感器的数据接口与计算机系统连接,接着启动便携式计算机,进入ubuntu系统,加载机器人操作系统ros和slam程序。然后人工驾驶小车行进,各个传感器采集信息,slam程序对采集的传感器信息进行融合,slam程序迭代执行,下位机使用光电编码器的信息推算小车运动过程中的速度,此速度信息送至slam程序推算智能小车的航迹,每隔一定时间采用陀螺仪测量的航向信息校正小车的方向角,激光测距仪返回一帧扫描数据时slam程序对其进行处理,并对新接收到的一帧扫描信息和上一帧扫描信息进行关联,确定智能小车在相邻两帧扫描信息时间间隔内的相对运动,从而校正智能小车的位姿估计,同时创建室外环境的栅格地图,双目立体视觉系统用来提取室外环境中的显著特征,与栅格地图融合得到最终的室外环境地图。智能小车通过运行slam程序创建室外环境的地图,并确定每一时刻智能小车在地图中的位姿,slam程序的每次循环时间应小于传感器系统的最大信息采集间隔,便携式计算机系统的配置需满足slam程序每次循环执行的实时性要求。

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