CN101033971A - 一种移动机器人地图创建系统及地图创建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动机器人地图创建系统及地图创建方法。系统包括应用于移动机器人地图创建系统的无线传感器网络节点和移动机器人，无线传感器网络节点集成处理和定位单元、USB接口、电源管理模块、温度控制模块及用户接口；移动机器人安装有无线定位与收发模块和地图创建服务器。方法为：将无线传感器网络节点布撒于监控区域并形成无线传感器网络，根据无线传感器网络节点的数据构建Delaunay三角面片并估计各坐标点处对应的数据；采用阈值比较的方法创建单一信息地图，对多张单一信息地图进行逻辑运算融合得到基于多元信息的地图。该发明能够在非结构化、动态环境中实时创建地图，或用于战场、外星、野外等特殊环境下全局地图创建。

Description

一种移动机器人地图创建系统及地图创建方法

技术领域  本发明涉及机器人定位导航领域，特别涉及一种机器人地图创建系统及地图创建方法。

背景技术  移动机器人在复杂环境下自主完成各种任务，获得周围环境的地图是其重要的前提。只有获得了环境的地图，移动机器人才能进行路径规划、轨迹跟踪，从而顺利到达目的地。目前，移动机器人常用的地图创建方法主要有以下几种：

通过普通摄像机拍摄环境图像，采用图像分割、图像识别的方法识别障碍物，构建环境地图；

通过立体摄像机获得图像重建环境的高度信息，根据高度是否超出阈值判断是否存在障碍物，从而构建地图；

由操作者手动指挥机器人在环境中运动，根据机器人自带的定位系统确定位置，根据机器人是否可以通过该位置确定是否存在障碍物；

机器人在环境中按一定的规则移动，经过一定时间移动，将机器人所有可以通过的路径构成的拓扑结构作为地图。

经专利局检索中心查新检索，日本索尼株式会社于2004年9月17日申请了发明专利，其专利公告号为CN 1617170，名称为“环境识别设备及方法，路径规划设备及方法以及机器人”。该发明公开了一种地图创建的设备及方法，它包括：平面检测装置，用于基于输入图像计算平面参数，并基于该平面参数检测平面；障碍物识别装置，用于识别由该平面检测装置检测的平面上存在的障碍物；环境地图更新装置，用于根据由障碍物识别装置所识别的障碍物的信息来绘制环境地图和/或更新现有环境地图。该环境地图更新装置适于为该组平面中具有被所述障碍物识别装置识别出的障碍物的平面绘制环境地图和/或更新现有环境地图。

然而，上述发明的地图创建方法是基于机器视觉的地图创建方法，使移动机器人产生运动障碍作用的其他信息(比如战场环境中的温度，湿度，电磁干扰等)无法融入地图中，因此，不适合于复杂的环境；并且，该专利中障碍物识别装置需要对障碍物特征具有一定的先验知识才能获得较好的识别效果，因此，不适合于未知环境的地图创建。

随着移动机器人技术的不断发展，移动机器人地图创建越来越受到人们的关注，人们对地图的要求也越来越高，尤其对于战场环境等一些高度非结构化、障碍多元化、高度动态性、要求地图快速创建的复杂场合，传统的地图创建方法很难胜任。基于机器视觉的方法中，采用普通摄像机进行地图创建需要具有对环境有一定的先验知识，从而确定障碍物的特征才能获得较好的效果，对于没有先验知识的非结构化环境，效果不好。采用立体摄像机进行地图创建虽然适合于非结构化环境，但是算法复杂度高，对计算机要求较高，并且只能创建高度信息地图，其他障碍信息(比如电磁干扰强弱)无法融入地图，地图信息单一；移动机器人一边移动一边创建地图的方法，能够在移动机器人上加载必要的多种传感器从而对多种障碍信息同时进行探测，构建多元信息地图，但是现有技术中某一时刻，当前移动机器人只能对当前位置处的局部地图进行更新，不适合于大范围动态环境的全局地图实时创建。随着移动机器人技术的深入发展，迫切需要研究新的适合于动态、非结构化环境的快速、实时多元信息地图创建方法。

发明内容  本发明的目的是：避免上述现有技术中的不足之处，提供一种机器人地图创建系统及地图创建方法。该系统和方法使用无线传感器网络实现定位与障碍信息获取，并根据无线传感器网络提供的多元环境信息快速、实时创建动态、非结构化环境的全局地图。

本发明的技术方案是：一种移动机器人地图创建系统，包括无线传感器网络节点和移动机器人，特别是：无线传感器网络节点布撒于移动机器人工作区域内，包括相互电连接的存储单元、处理和定位单元、收发天线、晶振、用户接口、USB控制器、电源管理模块、USB接口、电源模块、温度控制模块；

USB接口通过USB控制器和用户接口电连接到无线传感器网络节点上，用来实现程序的下载与控制，能够随时卸下；电源管理模块一方面用来在电源模块和USB接口两者之间选择供电来源，另一方面在使用电源模块供电时，实时获取电源模块剩余电量及估计可用时间；温度控制模块用于在外界温度降低到一定程度时对无线传感器网络节点加热；处理和定位单元是集无线收发、数据处理、定位于一体的芯片，用于控制协调各个模块的工作；晶振为两个晶振，一个用于处理和定位单元中的MCU使用，一个用于收发天线使用；存储单元用于给处理和定位单元提供额外的存储单元；

无线传感器网络节点提供用户接口，无线传感器节点通过用户接口与相应的多个传感器电连接；无线传感器网络节点利用RSSI模型结合极大似然法进行自定位，并通过多个传感器测量多元环境信息，移动机器人携带有具有定位功能的无线定位与收发模块和用于收集无线传感器网络节点采集的信息并创建地图的地图创建服务器，通过地图创建服务器得到重建出的障碍区。

作为对现有技术的进一步改进，无线传感器网络节点的处理和定位单元所使用芯片型号为CC2431；无线传感器网络节点中的多个传感器为温度传感器、湿度传感器、振动传感器、倾角传感器、电磁辐射传感器、高度传感器。

一种移动机器人地图创建系统与地图创建方法，包括无线传感器网络和移动机器人，特别是：将无线传感器网络节点布撒于移动机器人工作区域内部，设定网络结构，构建无线传感器网络。

对各无线传感器网络节点定位，无线传感器网络通过多个传感器获取各无线传感器网络节点收集的多元环境信息；无线传感器网络节点实时判断该时刻传感器测量值与上次发送测量值之差是否超出阈值，如果超出阈值则将无线传感器网络节点的ID号、位置坐标、测定的多元环境信息打包后由收发天线发射，否则节点不发送信息。

无线传感器网络节点发送的信息经过多跳路由转发给移动机器人上的地图创建服务器，移动机器人上的地图创建服务器实时检测是否收到新数据包，如果收到数据包，地图创建服务器对单一信息地图和综合信息地图分别进行创建或更新。

该方法基于无线传感器网络的数据，采用Delaunay三角面片对移动机器人工作区域进行分割；地图创建服务器采用线性插值的方法对Delaunay三角形面片内部的点所对应的数据进行插值，插值公式为：

$z=z_1+[(x-x_1)\det \left(\begin{array}{cc}{y}_3-y_1& z_3-z_1\\ y_2-y_1& z_2-z_1\end{array}\right)-(y-y_1)\·\det \left(\begin{array}{cc}{x}_3-x_1& z_3-z_1\\ x_2-x_1& z_2-z_1\end{array}\right)]/\det \left(\begin{array}{cc}{x}_3-x_1& y_3-y_1\\ x_2-x_1& y_2-y_1\end{array}\right)$

其中，x1，x2，和x3分别为三角面片顶点的横坐标，y1、y2和y3分别是三角面片顶点纵坐标，z1、z2和z3是与之对应的传感器测得数据归一化后的值，x是位于该三角面片内的插值点的横坐标，y是位于该三角面片内的插值点的纵坐标，z为该点测量值的估计。

单一信息地图针对每种传感器，是基于无线传感器网络数据采用与阈值比较的方法创建的；综合信息地图是通过各个传感器对应的单一信息地图经逻辑运算融合得到的；该方法适用于动态、非结构化环境的快速实时多元信息地图创建，或适用于战场、外星、野外特殊环境下的全局地图创建。

本发明的有益效果相对于现有技术的不足之处，本发明技术方案的优点是：一种机器人地图创建系统及地图创建方法，使用无线传感器网络实现定位与障碍信息获取，并根据无线传感器网络提供的多元环境信息快速、实时创建动态、非结构化环境的全局地图。

其一，一种移动机器人地图创建系统中，无线传感器网络节点具有自定位功能，通过RSSI模型结合极大似然法确定自己的位置，无线传感器网络节点通过用户接口与相应传感器电连接，能够根据实际需要选择相应的传感器创建多元环境地图，传感器可以是温度传感器、湿度传感器、振动传感器、倾角传感器、电磁辐射传感器、高度传感器等；无线传感器网络节点的USB控制器可以实现程序的下载与控制；电源管理模块一方面用来在电源模块和USB两者之间选择供电来源，另一方面在使用电源模块供电时，实时获取电源模块剩余电量及估计可用时间；温度控制模块用于在外界温度降低到一定程度时启动加热模块对无线传感器网络节点加热，提高了无线传感器网络节点在恶劣环境中的适应性。移动机器人携带有具有定位功能的无线定位与收发模块和用于收集无线传感器网络节点采集的信息并创建地图的地图创建服务器，通过地图创建服务器得到重建出的障碍区。

其二，与现有技术中的基于机器视觉的地图创建方法相比，本发明的方法是一种适合于动态、非结构化环境的快速多元信息全局地图创建方法。该方法通过布撒于移动机器人活动区域的无线传感器网络节点获取信息，具有很高的可靠性和冗余性，某些无线传感器网络节点发生故障不会影响系统的正常工作。该方法是按以下步骤完成的：

将无线传感器网络节点布撒于移动机器人工作区域，按照设定的网络结构构建无线传感器网络；无线传感器网络使用定位模块结合极大似然定位算法对各无线传感器网络节点定位；获取各无线传感器网络节点收集的多元环境信息，无线传感器网络节点实时判断该时刻传感器测量值与上次发送测量值之差是否超出阈值，如果超出阈值则将无线传感器网络节点的ID号、位置坐标、该无线传感器网络节点处测定的多元环境信息打包后由通信模块发射出去，否则，无线传感器网络节点不发送信息；无线传感器网络节点打包后发送的信息经过多跳路由转发给移动机器人上的地图创建服务器；移动机器人上的地图创建服务器实时检测是否收到新数据包，如果收到数据包，则根据数据包的信息更新地图；地图创建服务器根据各个无线传感器网络节点的传感信息与位置信息，通过Delaunay三角面片插值的方法重建无线传感器网络监控区域的环境，对三角面片内部的点采用本专利中提到的插值公式进行插值；地图创建服务器根据重建出的环境状况和设定的阈值对环境信息进行二值化，得到针对某一具体传感器信息的栅格地图，并根据各个传感器对应的地图通过逻辑运算融合得到综合有各种信息的地图。因此，该方法可利用无线传感器网络获取的各种障碍信息，在非结构化、动态环境中快速创建全局地图，满足移动机器人在战场环境、外星探测器、越野无人车辆等特殊工作环境下地图创建的需要。

为了验证本方法的有效性采用仿真实验实施例进行验证：在100m×100m的区域内随机布撒234个无线传感器网络节点，无线传感器网络节点通过用户接口与温度传感器、湿度传感器和高度传感器电连接。在说明书附图中真实环境地图图3与重建环境地图图4所示实验表明，真实环境地图与重建环境地图创建的误差不超过10％。对于精度要求高的应用场合，可以适当增加无线传感器节点的数目减小地图创建误差。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是无线传感器网络节点电路方框示意图。

图3是仿真实验中的真实环境地图。

图4是仿真实验中重建环境地图。

图5a是无线传感器网络节点程序流程图，图5b是系统地图创建方法流程图。

具体实施方式  下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的系统结构示意图。1为无线传感器网络节点；2为移动机器人；3为无线定位与收发模块；4为重建出的障碍区。

图中的无线传感器网络节点1被大量随机布撒于移动机器人2工作区域内部，通过自组网，形成无线传感器网络；移动机器人2处于无线传感器网络中；无线传感器网络将各无线传感器网络节点1的位置信息及其收集的多元环境信息做一定的筛选与融合后发送出去；移动机器人2通过无线定位与收发模块3和无线传感器网络通讯，获取这些信息，并通过移动机器人2所携带的地图创建服务器处理，地图创建服务器根据接收到的无线传感器网络节点1的位置信息构建Delaunay三角面片；在Delaunay三角面片的顶点处传感器数据即为该点的数据值，对于面片内部的点采用线性插值的方法对数据值进行估计；移动机器人2根据各个坐标点处的数据是否超出阈值来确定该点是否位于重建出的障碍区4，从而创建单一传感信息环境地图，并根据单一传感信息环境地图融合产生综合环境地图。

图2是无线传感器网络节点电路方框示意图。5为存储单元；6为处理和定位单元；7为收发天线；8为晶振，包括晶振8A和8B；9为用户接口；10为USB控制器；11为电源管理模块；12为USB接口；13为电源模块；14为温度控制模块。

无线传感器网络节点1集成了电源管理模块11、存储单元5、处理和定位单元6、收发天线7、温度控制模块14以及用户接口9。USB控制器10通过用户接口9电连接到无线传感器网络节点1上，可以在不使用时随时卸下。USB接口12用来实现程序的下载与控制；电源管理模块11一方面用来在电源模块13和USB接口12两者之间选择供电电源，另一方面在使用电源模块13供电时，实时获取电源模块13剩余电量及估计可用时间；温度控制模块14用于在外界温度降低到一定程度时启动加热模块对无线传感器网络节点1加热；CC2431是无线传感器网络节点1的心脏，它集无线收发模块、MCU、定位引擎于一体，控制协调各个模块的工作；使用两个晶振8A和8B，一个用于处理和定位单元6中的MCU使用，一个用于处理和定位单元6中的无线收发模块使用；本无线传感器网络节点1提供多种用户接口9，可以根据用户需要，安装各种符合规格的传感器，提供I2C等通讯协议接口，并提供与USB控制器10电连接的接口。

图3是仿真实验中的真实环境地图。其中，3a是真实的高度地图；3b是真实的温度地图；3c是真实的湿度地图；3d是真实的基于多元信息的地图。

在100m×100m的区域内随机布撒234个无线传感器网络节点，无线传感器网络节点1通过用户接口9与温度传感器、湿度传感器和高度传感器电连接。各个坐标点处对应于高度、温度、湿度三种信息，将这些数据与选定的阈值相比，判断该信息在某坐标点处是否形成障碍作用，从而得到3a，3b，3c所示的三张真实环境的高度、温度、湿度三张地图。对于三张地图进行逻辑运算，只要某坐标点处有一种或多种因素形成障碍作用，则判断该点在多元信息地图上形成障碍作用，从而得到真实的基于多元信息的地图如图3d。

图4是仿真实验中重建环境地图。其中，4a是重建出的高度地图；4b是重建出的温度地图；4c是重建出的湿度地图；4d是重建出的基于多元信息的地图。

在100m×100m的区域内随机布撒234个无线传感器网络节点1，无线传感器网络节点1通过用户接口9与温度传感器、湿度传感器和高度传感器电连接。根据无线传感器网络节点1的位置构建出Delaunay三角面片，采用线性插值的方法构建出各个坐标点处对应于每种传感器数据。将这一数据与选定的阈值相比，判断该信息在某坐标点处是否形成障碍作用，从而得到4a，4b，4c所示的三张重建出的高度、温度、湿度三张地图。对于三张地图进行逻辑运算，只要某坐标点处有一种或多种因素形成障碍作用，则判断该点在多元信息地图上形成障碍作用，从而得到重建出的基于多元信息的地图如图4d。

图5a是无线传感器网络节点程序流程图，图5b是系统地图创建方法流程图。两部分同时运行，下面分别介绍：

图5a是无线传感器网络节点程序流程图，对于无线传感器网络节点1，首先在移动机器人2活动的区域布撒无线传感器网络节点1(步骤100)，布撒的无线传感器网络节点1和附近的其他无线传感器网络节点通讯，根据协议规定的网络拓扑结构进行自组网，构建无线传感器网络(步骤110)，无线传感器网络中的各无线传感器网络节点1根据无线传感器网络节点定位模块获得的数据采用RSSI模型，运用极大似然法确定自身的位置(步骤120)，各无线传感器网络节点1通过自身携带的多种传感器获取环境多元信息(步骤130)，根据实际的工作环境需要，无线传感器网络节点1通过用户接口9与相应传感器电连接，传感器可以是温度传感器、湿度传感器、振动传感器、倾角传感器、电磁辐射传感器、高度传感器等；无线传感器网络节点1实时判断该时刻传感器测量值与上次发送测量值之差是否超出阈值(步骤140)，如果超出阈值则将无线传感器网络节点1的ID号、位置坐标、该无线传感器网络节点1处测定的多元环境信息打包(步骤150)，然后由收发天线7发送数据包(步骤160)，否则，无线传感器网络节点1不发送信息，并转到无线传感器网络节点1的定位部分(步骤120)进行循环。无线传感器网络节点1将数据包发送出去之后，检查无线传感器网络节点1是否需要进入休眠状态(步骤170)，如果需要进入休眠状态则无线传感器网络节点1进入休眠状态(步骤180)，否则，程序跳转到无线传感器网络节点1定位部分(步骤120)。

图5b是系统地图创建方法流程图，对于移动机器人2上携带的地图创建服务器，当地图创建程序开始执行后(步骤100)，首先检测是否收到新数据包(步骤110)，如果没有收到，则继续执行该步骤，直到收到新数据包。当地图创建服务器收到数据包之后，根据数据包中各个无线传感器网络节点1的位置信息，对区域进行Delaunay三角面片分割(步骤120)，之后根据各个无线传感器网络节点1的传感器数据信息采用本专利中提到的插值公式对没有布撒无线传感器网络节点1的位置处的数据进行插值(步骤130)。然后地图创建服务器根据重建出的环境状况和设定的阈值对环境信息进行二值化，从而得到描述某坐标点处是否存在障碍物的单一信息地图(步骤140)，随后，根据得到的多个单一信息地图，通过逻辑运算融合得到综合有多元信息的地图(步骤150)。这样，一次地图创建的过程就结束了，之后程序转至检测是否收到新数据包(步骤110)，进入下一轮循环。

Claims (9)

1、一种移动机器人地图创建系统，包括无线传感器网络节点(1)和移动机器人(2)，其特征在于：

所述无线传感器网络节点(1)布撒于移动机器人(2)工作区域内，包括相互电连接的存储单元(5)、处理和定位单元(6)、收发天线(7)、晶振(8)、用户接口(9)、USB控制器(10)、电源管理模块(11)、USB接口(12)、电源模块(13)、温度控制模块(14)；

所述的USB接口(12)通过USB控制器(10)和用户接口(9)电连接到无线传感器网络节点(1)上，用来实现程序的下载与控制并能够随时卸下；所述的电源管理模块(11)一方面用来在电源模块(13)和USB接口(12)选择供电来源，另一方面在使用电源模块(13)供电时，实时获取电源模块(13)剩余电量及估计可用时间；所述的温度控制模块(14)用于在外界温度降低到一定程度时对无线传感器网络节点(1)加热；所述的处理和定位单元(6)是集无线收发、数据处理、定位于一体的芯片，用于控制协调各个模块的工作；所述的晶振(8)为两个晶振(8A、8B)，一个用于处理和定位单元(6)中的MCU使用，一个用于收发天线(7)使用；所述的存储单元(5)用于给处理和定位单元(6)提供额外的存储单元；

所述的无线传感器网络节点(1)提供用户接口(9)，所述的无线传感器节点(1)通过用户接口(9)与相应的多个传感器电连接；所述的无线传感器网络节点(1)利用RSSI模型结合极大似然法进行自定位，并通过多个传感器测量多元环境信息，移动机器人(2)携带有具有定位功能的无线定位与收发模块(3)和用于收集无线传感器网络节点(1)采集的信息并创建地图的地图创建服务器，通过地图创建服务器得到重建出的障碍区(4)。

2、根据权利要求1所述的一种移动机器人地图创建系统，其特征是：所述的无线传感器网络节点(1)的处理和定位单元(6)所使用芯片的型号为CC2431。

3、根据权利要求1所述的一种移动机器人地图创建系统，其特征是：所述的无线传感器网络节点(1)中的多个传感器为一个以上，为温度传感器、湿度传感器、振动传感器、倾角传感器、电磁辐射传感器、高度传感器。

4、一种移动机器人地图创建系统的地图创建方法，其中无线传感器网络节点(1)通过RSSI模型进行测距，使用极大似然法估计无线传感器网络节点(1)的坐标，其特征在于该方法是按以下步骤完成的：

将无线传感器网络节点(1)布撒于移动机器人(2)工作区域内部，设定网络结构，构建无线传感器网络；

对各无线传感器网络节点(1)定位，无线传感器网络通过多个传感器获取各无线传感器网络节点(1)收集的多元环境信息；

无线传感器网络节点(1)实时判断该时刻传感器测量值与上次发送测量值之差是否超出阈值，如果超出阈值则将无线传感器网络节点(1)的ID号、位置坐标、测定的多元环境信息打包后由收发天线(7)发射，否则无线传感器网络节点(1)不发送信息；

无线传感器网络节点(1)发送的信息经过多跳路由转发给移动机器人(2)上的地图创建服务器，移动机器人(2)上的地图创建服务器实时检测是否收到新数据包，如果收到数据包，地图创建服务器对单一信息地图和综合信息地图分别进行创建或更新。

5、根据权利要求4所述的一种移动机器人地图创建系统和地图创建方法，其特征是：该方法基于所述的无线传感器网络的数据，采用Delaunay三角面片对移动机器人(2)工作区域进行分割。

6、根据权利要求4所述的一种移动机器人地图创建系统的地图创建方法，其特征是：所述的地图创建服务器采用线性插值的方法对Delaunay三角形面片内部的点所对应的数据进行插值，插值公式为：

$z=z_1+[\left({x-x}_1\right)\det \left(\begin{array}{cc}{y}_3-y_1& z_3-z_1\\ y_2-y_1& z_2-z_1\end{array}\right)-\left({y-y}_1\right)\·\det \left(\begin{array}{cc}{x}_3-x_1& z_3-z_1\\ x_2-x_1& z_2-z_1\end{array}\right)]/\det \left(\begin{array}{cc}{x}_3-x_1& y_3-y_1\\ x_2-x_1& y_2-y_1\end{array}\right)$

其中，x1，x2，和x3分别为三角面片顶点的横坐标，y1、y2和y3分别是三角面片顶点纵坐标，z1、z2和z3是与之对应的传感器测得数据归一化后的值，x是位于该三角面片内的插值点的横坐标，y是位于该三角面片内的插值点的纵坐标，z为该点测量值的估计。

7、根据权利要求4所述一种移动机器人地图创建系统和地图创建方法，其特征是：所述的单一信息地图针对每种传感器，是基于无线传感器网络数据采用与阈值比较的方法创建的。

8、根据权利要求4所述一种移动机器人地图创建系统和地图创建方法，其特征是：所述的综合信息地图，是通过各个传感器对应的单一信息地图经逻辑运算融合得到的。

9、根据权利要求4所述一种移动机器人地图创建系统和地图创建方法，其特征是：该方法适用于动态、非结构化环境的快速实时多元信息地图创建，或适用于战场、外星、野外特殊环境下的全局地图创建。

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