CN107607117A - 一种基于激光雷达的机器人建图导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达的机器人建图导航系统，包括：可移动的机器人；远程工作站，通过无线局域网连接所述机器人控制系统，用于远程发送机器人的移动、扫描、建图及导航指令；机器人控制系统，用于根据所述远程工作站的指令控制机器人进行移动、扫描、建图及导航；激光雷达传感器，用于360°旋转地扫描周围环境；供电系统，用于为整体系统供电。本发明还公开了一种基于激光雷达的机器人建图导航方法。本发明采用激光雷达传感器，稳定性高、实时性强，并且增加远程工作站实现人机交互，完全满足机器人建图导航的要求，解决了现有技术的不足之处；实现方式稳定可靠，通用性好，可广泛应用于机器人的建图、定位导航领域中。

Description

一种基于激光雷达的机器人建图导航系统及方法

技术领域

本发明涉及机器人建图定位导航领域，特别是涉及一种基于激光雷达的机器人建图导航系统及方法。

背景技术

随着智能移动机器人的广泛研发与应用,对其建图定位导航的要求也日益提高。机器人建图导航系统是一个可以通过机器人自身所安装的传感器获取周围环境信息，并对信息进行融合、分析，能够自主建立周围环境地图，并完成定位导航任务的机器人系统。目前，机器人的建图导航方法都有局限性，基于GPS导航系统不适用于室内机器人的导航，定位精度达不到机器人的高要求；基于视觉传感器的导航模式，受光线条件限制较大、图像处理量巨大、实时性较差。总的来说，目前针对机器人的建图定位导航方法存在受光线条件限制大、图像处理量巨大、实时性较差等问题，实现方式复杂，通用性差。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于激光雷达的机器人建图导航系统及方法，对现有的建图导航方法进行改进，采用激光雷达传感器稳定性高、实时性强，并且增加远程工作站实现人机交互，完全满足机器人建图导航的要求，解决了现有技术的不足之处。

本发明采用如下技术方案实现：

一种基于激光雷达的机器人建图导航系统，包括：

带有底层驱动的可移动机器人；

远程工作站，设置有图形用户界面，通过无线局域网连接所述机器人控制系统，用于远程发送机器人的移动、扫描、建图及导航指令；

机器人控制系统，用于根据所述远程工作站的指令控制机器人进行移动、扫描、建图及导航；

激光雷达传感器，设置在所述机器人上，用于360°旋转地扫描周围环境；

供电系统，用于为机器人、机器人控制系统、激光雷达传感器、远程工作站供电。

进一步地，所述的机器人包括轮式移动机器人、多足关节式移动机器人或爬行机器人。

进一步地，所述的机器人控制系统采用装有Ubuntu Linux系统和机器人操作系统（ROS）的微型计算机。

进一步地，所述的远程工作站装有Ubuntu Linux操作系统和机器人操作系统（ROS）。

进一步地，所述的激光雷达传感器为2D激光雷达并水平固定在所述机器人顶部，其扫描角度范围为0°~360°，扫描的最远距离是8m；建立的环境地图为二维平面地图。

一种基于所述系统的机器人建图导航方法，包括步骤：

S1、基于局域网络建立所述远程工作站和所述机器人控制系统的通信连接；

S2、启动所述供电系统，启动所述激光雷达并扫描周围环境；

S3、通过所述远程工作站控制所述机器人移动；

S4、所述机器人控制系统运用建图算法构建环境二维栅格地图并在远程工作站中保存构建好的地图；

S5、基于构建好的地图，运用定位导航算法进行移动机器人的导航。

进一步地，所述步骤S1具体包括子步骤：

S11、搭建路由器平台，创建无线局域网；

S12、所述远程工作站和控制系统连接同一个局域网；

S13、在所述远程工作站的系统终端中查看所述远程工作站的网络IP地址；

S14、在所述机器人控制系统的系统终端中查看所述机器人控制系统的网络IP地址；

S15、在所述远程工作站和机器人控制系统之间，利用各自的网络IP地址进行网络配置，实现所述远程工作站和机器人控制系统之间网络连通。

进一步地，所述步骤S2具体包括子步骤：

S21、把所述激光雷达传感器的USB接口和所述机器人控制系统的USB端口连接；

S22、打开所述供电系统电源开关给所述机器人控制系统供电，同时，所述机器人控制系统通过USB接口给所述激光雷达传感器供电；

S23、安装激光雷达驱动程序，所述机器人控制系统通过所述驱动程序识别并启动所述激光雷达传感器；

S24、所述激光雷达传感器以360°旋转，并以一定的扫描频率进行扫描周围环境。

进一步地，所述步骤S4的建图算法采用hector_mapping算法，具体包括子步骤：

S41、在远程工作站登录所述机器人控制系统，用于让远程工作站直接操控机器人的移动、扫描、建图、导航；

S42、在远程工作站启动机器人的底层驱动，用于下一步控制机器人运动；

S43、在远程工作站启动hector_mapping程序，使机器人控制系统构建周围环境的二维栅格地图；

S44、启动键盘或者手柄操控机器人运动；

S45、在远程工作站启动图形用户界面，用于实时查看机器人的位置及建图情况；

S46、当地图构建完毕后，在所述远程工作站建立目录，用于保存地图。

进一步地，所述步骤S5的定位导航算法采用自适应蒙特卡罗定位算法，具体包括子步骤：

S51、在远程工作站的图形用户界面载入步骤S4保存的环境二维栅格地图；

S52、点击相应按钮，在环境二维栅格地图上给机器人设置初始方位；

S53、点击相应按钮，在地图上设置机器人的目的地；

S54、所述机器人控制系统启动AMCL程序；

S55、机器人从初始位置向目标位置移动，同时在远程工作站的图形用户界面实时查看机器人的位置及导航情况。

相比现有技术，本发明的有益效果是：在机器人建图导航系统中采用一个激光雷达传感器，避免了现有技术中因采用视觉传感器而受光线条件限制大、图像处理量巨大、实时性较差等问题；稳定性好、可靠性高、通用性好，可广泛应用于机器人的建图、定位导航领域中，能够实现精度高的移动机器人建图和导航。

附图说明

此处说明的附图用来提供本发明实施例的进一步讲解，构成本申请的一部分，并不构成本发明实施例的限定。在附图中：

图1为机器人建图导航系统功能图。

图2为机器人环境地图构建流程图。

图3为机器人定位导航流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例一

如图1所示，一种基于激光雷达的机器人建图导航系统，包括：

带有底层驱动的可移动机器人；

远程工作站，设置有图形用户界面，通过无线局域网连接所述机器人控制系统，用于远程发送机器人的移动、扫描、建图及导航指令；

机器人控制系统，用于根据所述远程工作站的指令控制机器人进行移动、扫描、建图及导航；

激光雷达传感器，设置在所述机器人上，用于360°旋转地扫描周围环境；

供电系统，用于为机器人、机器人控制系统、激光雷达传感器、远程工作站供电。

具体而言，所述的机器人包括轮式移动机器人、多足关节式移动机器人或爬行机器人。

所述的机器人控制系统采用装有Ubuntu Linux系统和机器人操作系统（ROS）的微型计算机。

所述的远程工作站装有Ubuntu Linux操作系统和机器人操作系统（ROS）。

所述的激光雷达传感器采用型号为RPLIDAR A2的2D激光雷达并水平固定在所述机器人顶部，其扫描角度范围为0°~360°，扫描的最远距离是8m；建立的环境地图为二维平面地图。

所述步骤S1、S2、S3、S4、S5都是基于Ubuntu Linux系统下的机器人操作系统（ROS）平台来实现，ROS（Robot Operating System）是一个机器人软件平台，它能为异质计算机集群提供类似操作系统的功能。ROS提供一些标准操作系统服务，例如硬件抽象，底层设备控制，常用功能实现，进程间消息以及数据包管理。ROS是基于一种图状架构，从而不同节点的进程能接受、发布、聚合各种信息（例如传感器信息、控制信息、建图导航信息、路径规划信息等），目前ROS主要支持Ubuntu操作系统。

实施例二

一种基于所述系统的机器人建图导航方法，包括步骤：

S1、基于局域网络建立所述远程工作站和所述机器人控制系统的通信连接；

S2、启动所述供电系统，启动所述激光雷达并扫描周围环境；

S3、通过所述远程工作站控制所述机器人移动；

S4、所述机器人控制系统运用建图算法构建环境二维栅格地图并在远程工作站中保存构建好的地图；

S5、基于构建好的地图，运用定位导航算法进行移动机器人的导航。

本实施例中，所述步骤S1、S2、S3、S4、S5都是基于Ubuntu Linux系统下的机器人操作系统（ROS）平台来实现。

具体而言，所述步骤S1具体包括子步骤：

S11、搭建路由器平台，创建无线局域网；

S12、所述远程工作站和控制系统连接同一个局域网；

S13、在所述远程工作站的Ubuntu Linux系统终端中输入“ifconfig”，查看所述远程工作站的网络IP地址；

S14、在所述机器人控制系统的Ubuntu Linux系统终端中输入“ifconfig”，查看所述机器人控制系统的网络IP地址；

S15、通过ROS平台在所述远程工作站和机器人控制系统之间，利用各自的网络IP地址进行网络配置，实现所述远程工作站和机器人控制系统之间网络连通。

进一步地，所述步骤S2具体包括子步骤：

S21、把所述激光雷达传感器的USB接口和所述机器人控制系统的USB端口连接；

S22、打开所述供电系统电源开关给所述机器人控制系统供电，同时，所述机器人控制系统通过USB接口给所述激光雷达传感器供电；

S23、在ROS官网上搜索名为“rplidar_ros”的程序包，并将其下载到控制系统的ROS的工作空间里，在所述控制系统的ROS平台上利用“rplidar_ros”程序包来识别并启动所述激光雷达传感器；

S24、所述激光雷达传感器以360°旋转，并以10HZ的扫描频率进行扫描周围环境。

具体而言，如图2所示，所述步骤S4的建图算法采用hector_mapping算法，具体包括子步骤：

S41、在远程工作站登录所述机器人控制系统，用于让远程工作站直接操控机器人的移动、扫描、建图、导航；

S42、在远程工作站启动机器人的底层驱动，用于下一步控制机器人运动；

S43、在远程工作站启动hector_mapping程序，使机器人控制系统构建周围环境的二维栅格地图；

S44、启动键盘或者手柄操控机器人运动；

S45、在远程工作站启动ROS的图形用户界面（Rviz），用于实时查看机器人的位置及建图情况；

S46、当地图构建完毕后，在所述远程工作站建立目录，用于保存地图。

具体而言，如图3所示，所述步骤S5的定位导航算法采用自适应蒙特卡罗定位算法（AMCL），具体包括子步骤：

S51、在远程工作站的ROS的图形用户界面（Rviz）载入步骤S4保存的环境二维栅格地图；

S52、点击图形用户界面的“2D Position Estimate”按钮,在栅格地图上给机器人设置初始方位；

S53、点击图形用户界面的“2D Nav Goal”按钮，在地图上设置机器人的目的地；

S54、所述机器人控制系统的ROS启动AMCL程序；

S55、机器人从初始位置向目标位置移动，同时在远程工作站的ROS的图形用户界面实时查看机器人的位置及导航情况。

AMCL是移动机器人在2D环境中的概率定位算法，实现了自适应蒙特卡罗定位方法，其使用粒子滤波器来针对已知的地图跟踪机器人的位姿。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于激光雷达的机器人建图导航系统，其特征在于，包括：

带有底层驱动的可移动机器人；

远程工作站，设置有图形用户界面，通过无线局域网连接所述机器人控制系统，用于远程发送机器人的移动、扫描、建图及导航指令；

机器人控制系统，用于根据所述远程工作站的指令控制机器人进行移动、扫描、建图及导航；

激光雷达传感器，设置在所述机器人上，用于360°旋转地扫描周围环境；

供电系统，用于为机器人、机器人控制系统、激光雷达传感器、远程工作站供电。

2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的机器人建图导航系统，其特征在于：所述的机器人包括轮式移动机器人、多足关节式移动机器人或爬行机器人。

3.根据权利要求书1所述的一种基于激光雷达的机器人建图导航系统及方法，其特征在于，所述的机器人控制系统采用装有Ubuntu Linux系统和机器人操作系统（ROS）的微型计算机。

4.根据权利要求书1所述的一种基于激光雷达的机器人建图导航系统及方法，其特征在于，所述的远程工作站装有Ubuntu Linux操作系统和机器人操作系统（ROS）。

5.根据权利要求书1所述的一种基于激光雷达的机器人建图导航系统及方法，其特征在于，所述的激光雷达传感器为2D激光雷达并水平固定在所述机器人顶部，其扫描角度范围为0°~360°，扫描的最远距离是8m；建立的环境地图为二维平面地图。

6.一种基于权利要求1至5中任一项所述系统的机器人建图导航方法，其特征在于，包括步骤：

S1、基于局域网络建立所述远程工作站和所述机器人控制系统的通信连接；

S2、启动所述供电系统，启动所述激光雷达并扫描周围环境；

S3、通过所述远程工作站控制所述机器人移动；

S4、所述机器人控制系统运用建图算法构建环境二维栅格地图并在远程工作站中保存构建好的地图；

S5、基于构建好的地图，运用定位导航算法进行移动机器人的导航。

7.根据权利要求6所述的机器人建图导航方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括子步骤：

S11、搭建路由器平台，创建无线局域网；

S12、所述远程工作站和控制系统连接同一个局域网；

S13、在所述远程工作站的系统终端中查看所述远程工作站的网络IP地址；

S14、在所述机器人控制系统的系统终端中查看所述机器人控制系统的网络IP地址；

S15、在所述远程工作站和机器人控制系统之间，利用各自的网络IP地址进行网络配置，实现所述远程工作站和机器人控制系统之间网络连通。

8.根据权利要求6所述的机器人建图导航方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括子步骤：

S21、把所述激光雷达传感器的USB接口和所述机器人控制系统的USB端口连接；

S22、打开所述供电系统电源开关给所述机器人控制系统供电，同时，所述机器人控制系统通过USB接口给所述激光雷达传感器供电；

S23、安装激光雷达驱动程序，所述机器人控制系统通过所述驱动程序识别并启动所述激光雷达传感器；

S24、所述激光雷达传感器以360°旋转，并以一定的扫描频率进行扫描周围环境。

9.根据权利要求6所述的机器人建图导航方法，其特征在于，所述步骤S4的建图算法采用hector_mapping算法，具体包括子步骤：

S41、在远程工作站登录所述机器人控制系统，用于让远程工作站直接操控机器人的移动、扫描、建图、导航；

S42、在远程工作站启动机器人的底层驱动，用于下一步控制机器人运动；

S43、在远程工作站启动hector_mapping程序，使机器人控制系统构建周围环境的二维栅格地图；

S44、启动键盘或者手柄操控机器人运动；

S45、在远程工作站启动图形用户界面，用于实时查看机器人的位置及建图情况；

S46、当地图构建完毕后，在所述远程工作站建立目录，用于保存地图。

10.根据权利要求6所述的机器人建图导航方法，其特征在于，所述步骤S5的定位导航算法采用自适应蒙特卡罗定位算法，具体包括子步骤：

S51、在远程工作站的图形用户界面载入步骤S4保存的环境二维栅格地图；

S52、点击相应按钮，在环境二维栅格地图上给机器人设置初始方位；

S53、点击相应按钮，在地图上设置机器人的目的地；

S54、所述机器人控制系统启动AMCL程序；

S55、机器人从初始位置向目标位置移动，同时在远程工作站的图形用户界面实时查看机器人的位置及导航情况。