CN108413965A - 一种室内室外巡检机器人综合系统及巡检机器人导航方法 - Google Patents

一种室内室外巡检机器人综合系统及巡检机器人导航方法 Download PDF

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Abstract

一种室内室外巡检机器人综合系统及巡检机器人导航方法,室内室外巡检机器人综合系统包含机器人大脑、机器人主体、双目摄像头、惯导、激光雷达、红外激光发射器、红外激光测距仪、无线网卡、信号中继装置、4G信号接收器、服务器终端组成;机器人大脑能够通过无线网卡、信号中继装置与服务器终端进行数通讯,也能够通过4G信号接收器与服务器终端进行数据通讯;双目摄像头固定在机器人主体顶端,红外激光发射器固定在双目摄像头两个镜头中间;双目摄像头、惯导、激光雷达、红外激光发射器、红外激光测距仪均与机器人大脑进行信息传输。本发明能够使巡检机器人在室内室外与服务器终端进行有效通讯,完成精确导航,构建高精度的特征点地图。

Description

一种室内室外巡检机器人综合系统及巡检机器人导航方法
技术领域
本发明涉及巡检机器人领域,尤其涉及一种室内室外巡检机器人综合系统及巡检机器人导航方法。
背景技术
随着科学技术的进步,巡检机器人在工业、民用、军事等多个领域的应用越来越广泛。在很多情况下,巡检机器人的作业空间的信息是未知、动态复杂的。巡检机器人想要实现在室内室外自主导航、需要有一套综合系统,保障其定位、导航、目标识别以及和终端的实时通讯。
如今移动机器人导航方法主要电磁导航、惯性导航、UWB导航和GPS卫星导航四种方法。电磁导航是20世纪50年代美国开发的, 到20世纪70年代这种导航方式迅速发展并广泛用于柔性制造系统中。电磁导航是较为传统的导航方式之一,需要在机器人行驶的路径上铺设金属线,并在金属性上加载导引频率,通过识别导引频率来实现机器人的导引。但是系统定位误差大,并且要在地面铺设磁条,从而导致机器人灵活性差,维护成本也比较高。惯性导航是一种不要依赖任何外部信息的航迹推算导航方法。机器人主要利用电子罗盘、加速度计或陀螺仪等传感器来测量自身的加速度和方位角,从而推算下一点的位置。同时陀螺仪只能直接测量角速度,要想获得机器人的航向信息,必须经过积分运算,从而造成常量偏差会对陀螺仪的影响比较大。初次之外,当机器人沿着重复轨迹进行工作时,误差会不断累计。UWB (Ultra Wideband) 是一种无载波通信技术,利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。但是作为伪卫星定位方法的一种,UWB在复杂动态环境下定位效果不是很理想,并且在室外环境因遮挡等原因效果仍不失很好。GPS卫星导航系统能够向全球导航通信设备提供实时的位置、速度等定位 信息服务,但是定位精度只能达到几米,一般用于室外导航并且信号容易受到树木、楼宇等遮挡影响。差分GPS可以得到比单点定位更高的精度。但是这种方法价格高昂,仍然无法应用到室内环境。
伴随计算机视觉、图像处理技术发展的同时,机器视觉方法通过感知环境进行导航,同时在机器人实时定位方面得到广泛应用。视觉同时定位方法的原理是,通过安装在机器人身上的摄像机实时采集运动过程中的图像,并从图像中提取相关信息,进而判断并计算机器人的运行姿态和轨迹,最终实现导航和实时定位。然而视觉传感器容易受到光照的影响,同时在曝光较强、低亮度等情况下同时定位容易丢失。除此之外,单纯的单目视觉传感器没有尺度信息,无法感知机器人所处周围环境深度,并且在机器人原地转弯时特征丢失,容易导致机器人实时定位失效。
巡检机器人使用惯性测量单元进行定位发展较早,惯性定位是利用惯性测量单元测量的线加速度和旋转角速率来计算载体的六自由度同时定位信息。载体的角速率通过陀螺仪测量,主要用于计算机器人的旋转矩阵,并且提供载体坐标系和导航坐标系的转化关系;载体的线加速度通过加速度计测量,通过对得到的加速度积分求解机器人的速度信息和位移信息,最后通过将机器人六自由度信息转换到导航坐标系中完成定位。然而单纯的惯性测量单元在重复路径下误差累计较大,并且无法进行有效的回环检测。除此之外,因惯性测量单元随机游走等性质,在巡检机器人起步以及加速度变化较大时会产生大量迟滞误差。
为此,设计一种室内室外巡检机器人综合系统及导航方法。
发明内容
根据现有技术的不足,本发明提供一种室内室外巡检机器人综合系统及巡检机器人导航方法,使巡检机器人在室内室外与服务器终端进行有效通讯,完成精确导航,构建高精度的特征点地图。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种室内室外巡检机器人综合系统,包括机器人主体以及位于机器人主体上的巡检系统;所述巡检系统包括机器人大脑以及与之分别进行信息的传输双目摄像头、惯导、激光雷达、红外激光发射器、红外激光测距仪;所述双目摄像头固定在机器人主体顶端,红外激光发射器固定在双目摄像头的两个镜头中间;所述惯导固定在机器人主体中部,所述激光雷达和红外激光测距仪固定在机器人主体下部; 所述机器人大脑通过无线装置与服务器终端进行数据通讯。
优选的是,所述无线装置包括无线网卡和信号中继装置;所述无线网卡安装在机器人大脑上,所述机器人大脑能够通过无线网卡、信号中继装置与服务器终端进行数通讯。
优选的是,在室内室外均安装有多个信号中继装置,且室内室外环境结合部安装一个信号中继装置;相邻信号中继装置的距离为d,在室内环境80m<d<120m,在室外环境100m<d<150m。
优选的是,所述无线装置包括4G信号接收器;所述4G信号接收器安装在机器人大脑上,所述机器人大脑能够通过4G信号接收器与服务器终端进行数据通讯。
优选的是,所述机器人大脑配备独立电源、电池保护系统、显示屏、CUP和GPU,并且事先载入巡检机器人三维模型和运动参数;所述机器人大脑能够自动识别室内室外环境,确定巡检机器人所处环境是室内还是室外。
一种巡检机器人导航方法,该方法为:
巡检机器人判断所处环境是室内环境还是室外环境;若为室内环境,则使用双目摄像头和惯导融合进行位姿估计和地图构建;当光度<15lux时,使用激光雷达和惯导融合进行位姿估计;若为室外环境,则使用双目摄像头和惯导融合进行位姿估计和地图构建;当光度<15lux时,仅使用惯导进行轨迹推算,完成导航。
优选的是,使用双目摄像头和惯导融合进行位姿估计和特征点地图构建,在室内环境提取点特征和边特征,在室外环境仅提取点特征。
优选的是,使用双目摄像头和惯导融合进行位姿估计和特征点地图构建,对图像提取关键帧,采用滑动窗口进行位姿优化,使用G2O库进行非线性优化。
优选的是,当巡检机器人主体处于静止状态时,如果双目摄像头中的图像倒数第二帧不是关键帧,则将倒数第二帧的图像移除滑动窗口;如果双目摄像头中的图像倒数第二帧是关键帧,则将滑动窗口中最旧关键帧的位姿移除滑动窗口。
优选的是,服务器终端根据位姿对特征点地图进行拼接和优化,使用DBoW3库进行回环检测进一步优化特征点地图。
本发明有益效果:
通过此室内室外巡检机器人综合系统,能够使巡检机器人在工作环境通过4G信号和无线网络两种方式与服务器终端进行通讯,保障通讯正常;巡检机器人导航方法能够根据巡检机器人所处环境是室内还是室外,根据所处环境、光度大小确定导航方式,完成精确导航;在室内环境提取点特征和边特征,在室外环境仅提取点特征,有效提供系统性能;服务器终端根据位姿对特征点地图进行拼接和优化,利用回环检测优化特征点地图。
附图说明
图1为本发明的综合系统通讯示意图;
图2为本发明的巡检机器人主体及传感器安放示意图;
图3为本发明的导航控制示意图;
图4为本发明的生成导航地图示意图;
图中:1-机器人大脑,2-机器人主体、3-双目摄像头,4-惯导,5-激光雷达,6-红外激光发射器,7-红外激光测距仪,8-无线网卡,9-信号中继装置,10-4G信号接收器,11-服务器终端。
具体实施方式
以下结合附图,通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1至图4所示,一种室内室外巡检机器人综合系统,包含机器人大脑1、机器人主体2、双目摄像头3、惯导4、激光雷达5、红外激光发射器6、红外激光测距仪7、无线网卡8、信号中继装置9、4G信号接收器10和服务器终端11;其中:
机器人大脑1能够通过无线网卡8、信号中继装置9与服务器终端11进行数通讯,也能够通过4G信号接收器10与服务器终端11进行数据通讯;
双目摄像头3固定在机器人主体2顶端,红外激光发射器6固定在双目摄像头3两个镜头中间;
无线网卡8、4G信号接收器10安装在机器人大脑1上;
机器人大脑1、惯导4、激光雷达5、红外激光测距仪7安装在机器人主体2上;
双目摄像头3、惯导4、激光雷达5、红外激光发射器6、红外激光测距仪7均与机器人大脑1进行信息传输;
信号中继装置9安装在室内室外环境,室内室外环境结合部安装一个信号中继装置9;相邻信号中继装置9的距离为d,在室内环境80m<d<120m,在室外环境100m<d<150m;
巡检机器人导航方法,该方法为:巡检机器人判断所处环境是室内环境还是室外环境;若为室内环境,则使用双目摄像头3和惯导4融合进行位姿估计和地图构建;当光度<15lux(勒克司,照度单位)时,使用激光雷达5和惯导4融合进行位姿估计;
若为室外环境,则使用双目摄像头3和惯导4融合进行位姿估计和地图构建;当光度<15lux时,仅使用惯导4进行轨迹推算,完成导航;
使用双目摄像头3和惯导4融合进行位姿估计和特征点地图构建,在室内环境提取点特征和边特征,在室外环境仅提取点特征;
使用双目摄像头3和惯导4融合进行位姿估计和特征点地图构建,对图像提取关键帧,采用滑动窗口进行位姿优化,使用G2O库进行非线性优化;
当巡检机器人主体处于静止状态时,如果双目摄像头3中的图像倒数第二帧不是关键帧,则将倒数第二帧的图像移除滑动窗口;如果双目摄像头3中的图像倒数第二帧是关键帧,则将滑动窗口中最旧关键帧的位姿移除滑动窗口;
服务器终端11根据位姿对特征点地图进行拼接和优化,使用DBoW3库进行回环检测进一步优化特征点地图。
以上仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种室内室外巡检机器人综合系统,其特征在于:包括机器人主体(2)以及位于机器人主体(2)上的巡检系统;
所述巡检系统包括机器人大脑(1)以及与之分别进行信息的传输双目摄像头(3)、惯导(4)、激光雷达(5)、红外激光发射器(6)、红外激光测距仪(7);
所述双目摄像头(3)固定在机器人主体(2)顶端,红外激光发射器(6)固定在双目摄像头(3)的两个镜头中间;
所述惯导(4)固定在机器人主体(2)中部,所述激光雷达(5)和红外激光测距仪(7)固定在机器人主体(2)下部;
所述机器人大脑(1)通过无线装置与服务器终端(11)进行数据通讯。
2.根据权利要求1所述的一种室内室外巡检机器人综合系统,其特征在于:所述无线装置包括无线网卡(8)和信号中继装置(9);
所述无线网卡(8)安装在机器人大脑(1)上,所述机器人大脑(1)能够通过无线网卡(8)、信号中继装置(9)与服务器终端(11)进行数通讯。
3.根据权利要求2所述的一种室内室外巡检机器人综合系统,其特征在于:在室内室外均安装有多个信号中继装置(9),且室内室外环境结合部安装一个信号中继装置(9);
相邻信号中继装置(9)的距离为d,在室内环境80m<d<120m,在室外环境100m<d<150m。
4.根据权利要求1所述的一种室内室外巡检机器人综合系统,其特征在于:所述无线装置包括4G信号接收器(10);
所述4G信号接收器(10)安装在机器人大脑(1)上,所述机器人大脑(1)能够通过4G信号接收器(10)与服务器终端(11)进行数据通讯。
5.根据权利要求1所述的一种室内室外巡检机器人综合系统,其特征在于:所述机器人大脑(1)配备独立电源、电池保护系统、显示屏、CUP和GPU,并且事先载入巡检机器人三维模型和运动参数;
所述机器人大脑(1)能够自动识别室内室外环境,确定巡检机器人所处环境是室内还是室外。
6.一种基于权利要求1所述的巡检机器人导航方法,其特征在于,该方法为:
巡检机器人判断所处环境是室内环境还是室外环境;
若为室内环境,则使用双目摄像头(3)和惯导(4)融合进行位姿估计和地图构建;当光度<15lux时,使用激光雷达(5)和惯导(4)融合进行位姿估计;
若为室外环境,则使用双目摄像头(3)和惯导(4)融合进行位姿估计和地图构建;当光度<15lux时,仅使用惯导(4)进行轨迹推算,完成导航。
7.根据权利要求6所述的巡检机器人导航方法,其特征在于:使用双目摄像头(3)和惯导(4)融合进行位姿估计和特征点地图构建,在室内环境提取点特征和边特征,在室外环境仅提取点特征。
8.根据权利要求6所述的巡检机器人导航方法,其特征在于:使用双目摄像头(3)和惯导(4)融合进行位姿估计和特征点地图构建,对图像提取关键帧,采用滑动窗口进行位姿优化,使用G2O库进行非线性优化。
9.根据权利要求8所述的巡检机器人导航方法,其特征在于:当巡检机器人主体(2)处于静止状态时,如果双目摄像头(3)中的图像倒数第二帧不是关键帧,则将倒数第二帧的图像移除滑动窗口;如果双目摄像头(3)中的图像倒数第二帧是关键帧,则将滑动窗口中最旧关键帧的位姿移除滑动窗口。
10.根据权利要求8所述的巡检机器人导航方法,其特征在于:服务器终端(11)根据位姿对特征点地图进行拼接和优化,使用DBoW3库进行回环检测进一步优化特征点地图。
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