一种基于激光雷达与GPS的拓扑地图创建方法及建图装置与流程

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种基于激光雷达与gps的拓扑地图创建方法及装置。

背景技术

当前机器人、agv技术蓬勃发展，物流机器人、导览机器人、家庭机器人、搬运agv等各类工业用、商用、家用机器人与agv在市面上涌现。在整个机器人系统或agv中，建图技术是其最主要的核心技术之一，现有技术中，通常采用gps建图方法或者激光建图方法构建机器人或agv的运动区域地图，但是gps建图方法与激光建图方法各自具有优缺点。gps建图方法基于gps模块，gps模块随时采集机器人或agv的位置特征构成其运动路径的轨迹，形成地图，其缺点是gps建图方法受到gps信号强弱的影响和障碍物多径效应影响，在gps较弱的区域或无gps信号的区域(如建筑的外墙附近的区域以及室内等场合)，其采集的数据不准确，会出现定位错误或无法定位的现象，导致创建的gps地图为一段一段不连续的。激光建图方法基于激光雷达采集的点云数据构建激光地图，其缺点是，建图的区域需要有足够多的参照特征(如树木、建筑、车辆等)才能构建地图，对于广场等较为开阔、参照特征较少的场合，其也无法构建地图，这就导致其在室外建出的地图也具有间断性、不连续的特征。因此，有必要提出一种建图方法，可以综合gps建图方法与激光建图方法两者的优点。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于激光雷达与gps的拓扑地图创建方法及装置，旨在解决对较为复杂的环境进行建图较为困难的问题，综合gps建图方法与激光建图方法两者的优点。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于激光雷达与gps的拓扑地图创建方法，所述方法包括建图流程与创建拓扑地图流程；

所述建图流程包括：

判断是否到达交叠区域；

是则切换建图模式并将载体在激光地图中的位置数据与其实际gps位置数据进行绑定；其中，所述建图模式包括激光建图模式与gps建图模式；

否则继续执行当前建图模式；

所述创建拓扑地图流程包括：

计算切换建图模式时所绑定的两个位置数据之间的换算关系；

将所述换算关系写入拓扑地图。

可选地，所述判断是否到达交叠区域具体为：

判断是否收到控制端的切换信号。

可选地，所述判断是否到达交叠区域具体为：

判断当前位置的gps信号强度是否满足条件，并判断环境周围参照特征是否满足激光建图条件，若两者均满足，则当前位置可作为交叠区域，否则未到达交叠区域。

可选地，所述切换建图模式并将载体在激光地图中的位置数据与其实际gps位置数据进行绑定包括：

若从gps建图模式切换至激光建图模式，则将载体在切换建图模式时的gps位置数据作为本次激光建图模式开始时载体的初始化位置；

若从激光建图模式切换至gps建图模式，则将载体在激光地图中的最终位置数据与其实际gps位置数据进行绑定。

可选地，所述gps建图模式包括：

通过gps模块采集载体的实时gps位置数据，形成载体的运行轨迹；

对所述运行轨迹进行数据膨胀形成所述gps地图。

可选地，所述创建拓扑地图流程还包括：

将所述交叠区域的数据写入所述拓扑地图。

可选地，所述将所述交叠区域的数据写入所述拓扑地图包括：

以切换建图模式时的gps位置数据为基准，向其左前、右前、左后、右后四个方向各扩展固定距离确定四个角点；

计算四个角点的位置数据；

将四个角点的位置数据写入所述拓扑地图。

可选地，所述激光建图模式包括：

对所述载体进行位置初始化操作；

采集激光雷达、里程计以及惯性导航模块三者的采集数据；

根据所述采集数据建立激光地图。

建图装置，所述建图装置包括：

存储单元，用于存储可执行程序；

处理单元，用于执行所述可执行程序以实现上述的基于激光雷达与gps的拓扑地图创建方法；

载体，可受所述处理单元驱动运动，包含至少一个驱动轮，每个驱动轮均配有里程计，所述处理单元可获取所述里程计的数据；

激光雷达，用于为所述处理单元提供所述载体周围环境内的点云数据；

惯性导航模块，用于为所述处理单元提供所述载体的加速度数据；

gps模块，用于为所述处理单元提供所述载体的gps位置数据。

有益效果：本发明的基于激光雷达与gps的拓扑地图创建方法及装置综合了gps建图方法与激光建图方法两者的优点，建图过程中若gps信号较好而无足够参照特征时采用gps建图模式，若有足够参照特征而gps信号较差则采用激光建图模式，两种建图模式在交叠区域进行切换，且两种建图模式构建的gps地图与激光地图之间的关系描述写入在拓扑地图中，如此可实现两者地图的接驳。本发明的技术方案解决了对复杂的环境进行建图的问题，具有很强的实用性。

附图说明

附图1为本发明各个实施例的一种建图装置的硬件结构示意图；

附图2为基于激光雷达与gps的拓扑地图创建方法的流程图；

附图3为建图流程的流程图；

附图4为创建拓扑地图流程的流程图；

附图5为将交叠区域的数据写入拓扑地图的流程图。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

本发明的建图装置100可以以各种形式来实施。例如，本发明中描述的终端设备为仓储机器人、导览机器人、室外巡检机器人、agv等可进行自主移动的机器人、车、物的形态。

请参照附图1，其为实现本发明各个实施例的一种建图装置100的硬件结构示意图，该建图装置100可以包括存储单元110、处理单元120、载体130、激光雷达140、惯性导航模块150以及gps模块160等部件，本领域技术人员可以理解，图1中示出的建图装置100的结构并不构成对建图装置100的限定，建图装置100可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

下面结合附图1对建图装置100的各个部件作具体介绍：

存储单元110，用于存储可执行程序，且可存储处理单元120所创建的地图数据；

处理单元120，用于执行所述可执行程序以实现基于激光雷达与gps的拓扑地图创建方法；

载体130，可受所述处理单元120驱动运动，包含至少两个驱动轮，每个驱动轮均配有里程计，所述处理单元120可获取所述里程计的数据；

是建图装置100的机械移动平台，其包含一个主动轮131，其结构可以是四轮驱动车、阿克曼模型、双轮差速、履带式等等一切可以运动的车体。主动轮131由驱动电机133驱动转动，驱动电机133由处理单元120控制转动，此处的驱动电机133一般为伺服电机或其他带有编码器或霍尔传感器等闭环控制模块的电机，处理单元120通过电机驱动器控制驱动电机133转动，从而实现对载体130运动的精确控制。每个主动轮131上均安装有里程计132(一般里程计132是基于编码器的数据对时间积分获得)以获取每个主动轮131的转角数据，处理单元120可获取里程计132采集的角度数据以便计算载体130的位移量，并据此计算载体130的位姿(即位置数据与载体130的角度)。

激光雷达140，可对周围环境进行扫描，其扫描角度最大可达360°，其可以获取其四周扫描到的参照特征的角度与距离的信息，处理单元120获取激光雷达140采集的数据可以获得环境内的点云数据，从而用于创建激光地图。

惯性导航模块150，用于为所述处理单元120提供所述载体130的加速度数据。处理单元120根据惯性导航模块150提供的加速度数据，并将其对时间进行积分，可算得载体130的速度、位置、角度等信息，其配合里程计132与激光雷达140使用，可提高激光建图的精度。

gps模块160，用于为所述处理单元120提供所述载体130的gps位置数据，处理单元120根据gps模块160采集的gps位置数据进行gps地图的创建。

上述激光雷达140、惯性导航模块150以及gps模块160均安装在载体130上，处理单元120与存储单元110一般是固定安装在载体130上，可随载体130运动，也可以外置于载体130，并通过无线通信等手段与载体130进行双向数据交换。

请参考附图2，基于激光雷达与gps的拓扑地图创建方法包括建图流程s210与创建拓扑地图流程s220；

所述建图流程s210包括如下步骤s211-s213：

步骤s211，判断是否到达交叠区域；是则执行步骤s212，否则执行步骤s213；其中，交叠区域具有如下特征：第一、gps信号强度满足gps建图条件；第二、交叠区域周围有足够的参照特征满足以满足激光建图条件。

步骤s212，切换建图模式并将载体130在激光地图中的位置数据与其实际gps位置数据进行绑定；若到达交叠区域之前，处理单元120执行的是激光建图模式，则到达交叠区域后，切换成gps建图模式；若到达交叠区域之前，处理单元120执行的是gps建图模式，则到达交叠区域后，切换成激光建图模式；由于对建图模式进行切换，会结束之前的建图模式，而开始新的建图模式，因此切换建图模式之前的建图模式创建的地图会出现终点，而新开始的建图模式的起点从切换建图模式之前的建图模式创建的地图的终点继续创建，由于切换建图模式之前的建图模式创建的地图的终点的坐标系与新开始的建图模式的起点的坐标系并一定一致，因此需要将两者的数据进行绑定，以便在后续创建拓扑地图时方便将切换建图模式前后的地图进行对接；

步骤s213，继续执行当前建图模式；即处理单元120在未到达交叠区域之前持续当前的建图模式。

一般来说，上述步骤s211-s213循环进行，直至处理单元120接收到结束建图流程s210的指令结束，然后开始执行创建拓扑地图流程s220。拓扑地图流程s220用于将建图流程s210中创建的一段段不连续的gps地图以及激光地图进行接驳，建立这些gps地图以及激光地图相互之间的联系，这个联系是以各地图的起点与终点的位置数据相关为基础的。

具体地，所述创建拓扑地图流程s220包括如下步骤s221-s222：

步骤s221，计算切换建图模式时所绑定的两个位置数据之间的换算关系；如切换建图模式时，载体130在激光地图中的位置数据为(x1,y1,θ1)，而当前时刻，载体130的实际gps位置数据为(x2,y2,θ2)，则两者之间的换算关系为(x1-x2,y1-y2,θ1-θ2)，其中的数据分别对应于坐标转换x偏移量、y偏移量以及角度偏移量。

步骤s222，将所述换算关系写入拓扑地图。

可选地，还包括步骤s223：

步骤s223，将所述交叠区域的数据写入所述拓扑地图。

步骤s223具体包括如下步骤s223a-s223c：

步骤s223a，以切换建图模式时的gps位置数据为基准，向其左前、右前、左后、右后四个方向各扩展固定距离确定四个角点；切换建图模式时的gps位置数据即上述的位置数据(x2,y2,θ2)；固定距离可取1m；

步骤s223b，计算四个角点的位置数据；

步骤s223c，将四个角点的位置数据写入所述拓扑地图。

作为示例，拓扑地图中记录的数据如下：

node_num：该拓扑地图中含有的节点数量

node1：节点1，即第一个交叠区域

map_name：与节点1连接的激光地图名称

gps_name：与节点1连接的gps地图名称

trans_x：坐标转换x偏移量

trans_y：坐标转换y偏移量

trans_th：坐标转换角度偏移

p1x：

p1y：车左前方点的位置坐标

p2x：

p2y：车右前方点的位置坐标

p3x：

p3y：车右后方点的位置坐标

p4x：

p4y：车左后方点的位置坐标

node1：节点2，即第二个交叠区域

……

步骤s223的目的是，方便之后建图装置100本体或其他机器人、agv基于上述拓扑地图进行导航时，可以方便选取时机切换导航模式，导航模式包括基于激光雷达140的激光导航模式以及基于gps模块160的gps导航模式两种，一般来说，导航时切换导航模式的时机与建图时切换建图模式的时机是一样的，因此，基于拓扑地图导航时，建图装置100本体或机器人、agv等形式的导航装置需要进入上述交叠区域后切换导航模式，而由于行走位置的偏差，导航时不可能走到与建图时切换建图模式时同样的位置，因此设置的交叠区域为一个较大的范围，当导航装置进入划定的交叠区域即可切换导航模式，可极大方便拓扑地图的应用。

在第一种实施例中，步骤s211中判断是否到达交叠区域具体为：判断是否收到控制端的切换信号。实际操作中，一般由人通过处理单元120操纵载体130运动，且交叠区域也由人来选取，选取标准如下：作为交叠区域的位置的gps信号较强，且作为交叠区域的位置周围有足够多的参照特征以便激光建图。当建图人员觉得该切换建图模式的时候，建图人员可通过操纵手柄给处理单元120切换信号，当处理单元120通过蓝牙、红外、无线通信等方式收到手柄发出的切换信号，即停止当前的建图模式，开启新的建图模式。

在第二种实施例中，步骤s211中判断是否到达交叠区域可由处理单元120自行完成，处理单元120通过采集激光雷达140以及gps模块160的数据，判断当前位置的gps信号强度是否满足条件，并判断环境周围是否有足够多的参照特征以满足激光建图条件，若两者均满足，则当前位置可作为交叠区域，否则未到达交叠区域。处理单元120可根据需要选取可作为交叠区域的位置作为交叠区域并执行切换建图模式的操作。

可选地，由于从gps建图模式切换至激光建图模式时，gps建图模式建图的终点与激光建图模式的起点是完全一致的，因此可省去绑定数据的操作，而直接记录该交叠区域切换建图模式时的gps坐标，步骤s212实际包括下列步骤a1-a2：

步骤a1，若从gps建图模式切换至激光建图模式，则将载体130在切换建图模式时的gps位置数据作为本次激光建图模式开始时载体130的初始化位置，记录当前的gps位置数据；

步骤a2，若从激光建图模式切换至gps建图模式，则将载体130在激光地图中的最终位置数据与其实际gps位置数据进行绑定。

步骤a1中的情形下，写入拓扑地图的换算关系为(0,0,0)，而步骤a1中，由于激光建图模式时载体130单向行走，缺少回环修正过程，其所建立的地图有可能是歪的，因此所创建的激光地图的终点位置数据是不准确的，因此需要将最终位置数据与其实际gps位置数据进行绑定，并在拓扑地图中写入激光地图的终点与下一段gps地图的起点的换算关系，已使两者接驳。

上述gps建图模式包括如下步骤b1-b2：

步骤b1，通过gps模块160采集载体的实时gps位置数据，形成载体的运行轨迹；

步骤b2，对所述运行轨迹进行数据膨胀形成所述gps地图。

通过对运行轨迹进行数据膨胀可以确定可行驶区域范围，使得得到的gps地图不是一条细线，这种方式的优点是可以将虚拟的gps地图和激光地图统一成一种格式用作导航。

所述激光建图模式包括下列步骤c1-c3：

步骤c1，对所述载体130进行位置初始化操作；其初始化位置为载体130在切换建图模式时的gps位置数据

步骤c2，采集激光雷达、里程计以及惯性导航模块三者的采集数据；

步骤c3，根据所述采集数据建立激光地图。

激光建图模式为本领域技术人员的惯用手段，本实施例中不对其原理进行详细描述。

本发明的基于激光雷达与gps的拓扑地图创建方法及装置综合了gps建图方法与激光建图方法两者的优点，建图过程中若gps信号较好而无足够参照特征时采用gps建图模式，若有足够参照特征而gps信号较差则采用激光建图模式，两种建图模式在交叠区域进行切换，且两种建图模式构建的gps地图与激光地图之间的关系描述写入在拓扑地图中，如此可实现两者地图的接驳。本发明的技术方案解决了对复杂的环境进行建图的问题，具有很强的实用性。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。