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。