CN110053014A

CN110053014A - 一种基于视觉slam的室内智能移动平台

Info

Publication number: CN110053014A
Application number: CN201910375240.2A
Authority: CN
Inventors: 张建华; 薛原; 陈付豪; 张霖; 李辉
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2019-05-07
Filing date: 2019-05-07
Publication date: 2019-07-26

Abstract

本发明公开了一种基于视觉SLAM的智能移动平台，包括视觉系统、底盘、激光雷达传感器、超声传感器、底座外壳、工控机、单片机、底层驱动系统和可拆卸式平台；底盘固定于底座外壳上；可拆卸式平台可拆卸地安装于底盘上；激光雷达传感器固定于底座外壳上，位于平台前进方向的最前方位置；超声传感器固定于底座外壳的正前端；底层驱动系统安装在底座外壳两侧，用于实现平台的运动；所述视觉系统包括动力传递结构和舵机转盘结构。本平台上搭载的深度摄像机通过动力传递结构和舵机转盘结构能实现旋转、俯仰、升降三自由度的运动。将深度摄像机、激光雷达传感器和超声波传感器相结合，可实现平台自身的定位和导航。

Description

一种基于视觉SLAM的室内智能移动平台

技术领域

本发明涉及智能化移动平台领域，具体是一种基于视觉SLAM的室内智能移动平台。

背景技术

机器人在未知环境中从一个未知位置开始移动，在移动过程中根据位置估计和地图进行自身定位，同时在自身定位的基础上建造增量式地图，实现机器人的自主定位和导航，这种方法称为SLAM(Simultaneous Localization and Mapping，同步定位与建图)，是机器人领域中的一项关键技术，可以根据作业环境的改变进行路径规划、自主避障和导航，是实现移动机器人完全自主控制和智能化的核心和基础。近年来，引起了研究人员的广泛关注，成为移动机器人领域的非常活跃的方向。

单一深度摄像机能够提供更为丰富的环境信息，但视觉数据的处理需要更多的计算，实时性不强。市面上的多数视觉平台移动不灵便，不能够进行360°旋转全向移动。除此之外，现有的视觉机器人平台不能进行平台结构的拆装，不能充分满足用户需要。申请号201710298610.8的文献公开了一种基于三自由度视觉平台的移动机器人及其控制方法，该移动机器人的深度相机的视角范围受限，采用的伸缩平台无法灵活地调节深度相机的高度，且此平台无可拆卸式盖板，不利于与其它器件联合使用。同时采用普通车轮，无法满足实际生活中狭小环境的使用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于视觉SLAM的室内智能移动平台。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于视觉SLAM的智能移动平台，其特征在于该平台包括视觉系统、底盘、激光雷达传感器、超声传感器、底座外壳、工控机、单片机、底层驱动系统和可拆卸式平台；

底盘固定于底座外壳上；可拆卸式平台可拆卸地安装于底盘上；激光雷达传感器固定于底座外壳上，位于平台前进方向的最前方位置；超声传感器固定于底座外壳的正前端；底层驱动系统安装在底座外壳两侧，用于实现平台的运动；所述视觉系统包括动力传递结构和舵机转盘结构；

所述动力传递结构包括滚珠丝杠、竖直支撑、L型支架、紧固丝杠件、直线电机、丝杠卡扣、滑动导轨和上支撑盖板；竖直支撑固定于底盘上；滑动导轨固定在竖直支撑上；上支撑盖板与滑动导轨和竖直支撑固定连接；滚珠丝杠的一端通过滚动轴承安装在上支撑盖板中，中部通过滚动轴承安装在紧固丝杠件中；紧固丝杠件固定于竖直支撑上；直线电机固定在底座外壳上，其输出端通过联轴器与滚珠丝杠的另一端固定连接；L型支架的一端固定于滚珠丝杠的螺母上，两侧固定有丝杠卡扣，两个丝杠卡扣与两侧的滑动导轨的轨道配合；

所述舵机转盘结构包括深度摄像机、舵机上底座、双轴舵机、舵机下底座、支撑盘、单轴舵机、舵机摇臂和舵机圆盘法兰；单轴舵机固定在L型支架的另一端上；单轴舵机的转轴与舵机摇臂固定连接；支撑盘固定在舵机摇臂上；双轴舵机的两侧通过两个舵机下底座固定于支撑盘上；双轴舵机两侧的输出轴各固定有一个舵机圆盘法兰；舵机上底座的两端与两个舵机圆盘法兰固定连接；深度摄像机固定在舵机上底座上；

所述工控机分别与深度摄像机、激光雷达传感器、超声传感器和单片机连接；所述单片机分别与双轴舵机的内置编码器、单轴舵机的内置编码器、直线电机的编码器、底层驱动系统的编码器连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本平台上搭载的深度摄像机能实现旋转、俯仰、升降三自由度的运动。丝杠导轨结构能够根据作业环境调节深度摄像机的高度，二级舵机结构用于实现深度摄像机的水平旋转和调节深度摄像机的俯仰角，加大了平台的探测范围，实现对室内狭小空间的探测。

(2)本平台将深度摄像机、激光雷达传感器和超声波传感器相结合，提供丰富的环境信息，具有很强的自主视觉导航能力，可实现平台自身的定位和导航。

(3)驱动系统采用麦克纳姆轮，在不改变平台本身的状态的情况下实现在狭小空间的无约束的全方向运动。

(4)本平台上搭载了可拆卸式平台用来进行增加置物空间，用户可以根据自己的需求，调整可拆卸式平台的高度以及层数，满足用户需求。

(5)采用激光雷达传感器进行导航，采用超声传感器进行避障，在能够读取周边环境的同时也保障了运动的安全性。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体结构轴测示意图；

图2为本发明一种实施例的整体结构去掉上支撑盖板后的俯视示意图；

图3为本发明一种实施例的底盘外壳及其连接部件的轴测示意图；

图4为本发明一种实施例的底盘外壳内部示意图；

图5为本发明一种实施例的视觉系统轴测示意图；

图6为本发明一种实施例的舵机转盘结构轴测示意图；

图7为本发明一种实施例的底层驱动系统示意图；

图8为本发明一种实施例的可拆装式平台示意图；

图9为本发明一种实施例的激光雷达传感器示意图；

图中：1、深度摄像机；2、底盘；3、激光雷达传感器；4、超声传感器；5、底座外壳；6、麦克纳姆轮；7、滚珠丝杠；8、支撑杆件；9、工控机；10、支撑立柱一；11、铰链支架；12、可拆卸式一层板；13、支撑立柱二；14、可拆卸式二层板；15、竖直支撑；16、舵机上底座；17、双轴舵机；18、舵机下底座；19、支撑盘；20、单轴舵机；21、舵机摇臂；22、舵机圆盘法兰；23、单片机；24、L型支架；25、紧固丝杠件；26、联轴器；27、直线电机；28、电机盖板；29、丝杠卡扣；30、滑动导轨；31、上支撑盖板；32、电机减速机；33、电机；34、编码器。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种基于视觉SLAM的智能移动平台(参见图1-9，简称平台)，其特征在于该平台包括视觉系统、底盘2、激光雷达传感器3、超声传感器4、底座外壳5、工控机9、单片机23、底层驱动系统和可拆卸式平台；

底盘2通过支撑杆件8固定于底座外壳5上；可拆卸式平台可拆卸地安装于底盘2的后部上；激光雷达传感器3固定于底座外壳5上表面，位于平台前进方向的最前方位置且位于底盘2与底座外壳5之间，用于进行360°激光扫描来建立二维栅格地图进行导航；激光雷达传感器3向固定的方向发射激光束，发射出的激光遇到障碍物会被反射，进而得到激光雷达传感器3到该方向上最近障碍物的距离，根据概率模型计算出障碍物的距离和位置点，构建二维栅格地图进行导航。超声传感器4固定于底座外壳5的正前端，用于探测移动方向前方是否存在障碍物；当超声传感器4探测到前方有障碍物时，移动平台将根据自己所处的位置进行自主动态避障。工控机9位于底座外壳5上，用于与其它器件进行信息交互；单片机23位于底座外壳5内部；底层驱动系统安装在底座外壳5两侧，用于实现平台的运动；

所述视觉系统包括动力传递结构和舵机转盘结构；动力传递结构能够根据作业环境调节深度摄像机1的高度，舵机转盘结构用于实现深度摄像机1的水平旋转和调节深度摄像机1的俯仰角，进而实现相机旋转、俯仰、上下三自由度的运动。

所述动力传递结构包括滚珠丝杠7、竖直支撑15、L型支架24、紧固丝杠件25、直线电机27、丝杠卡扣29、滑动导轨30和上支撑盖板31；竖直支撑15固定于底盘2的前部上，位于可拆卸式平台前方；滑动导轨30固定在竖直支撑15上；上支撑盖板31与滑动导轨30和竖直支撑15固定连接；滚珠丝杠7的一端通过滚动轴承安装在上支撑盖板31中，中部通过滚动轴承安装在紧固丝杠件25中，紧固丝杠件25和上支撑盖板31用于支撑滚珠丝杠7；紧固丝杠件25固定于竖直支撑15上；直线电机27固定在底座外壳5上(图中所示为固定在底座外壳5内部，其输出端伸出底座外壳5通过联轴器26与滚珠丝杠7的另一端固定连接)，其输出端通过联轴器26与滚珠丝杠7的另一端固定连接；L型支架24的一端固定于滚珠丝杠7的螺母上，两侧通过螺钉固定有丝杠卡扣29，两个丝杠卡扣29与两侧的滑动导轨30的轨道配合，卡在轨道中，防止深度摄像机1在升降的过程中发生颤动，起到加强稳定性的作用；直线电机27转动，带动滚珠丝杠7旋转，滚珠丝杠7旋转带动螺母上的L型支架24实现竖直上下的精确运动，实现深度摄像机1的高度变化；

所述舵机转盘结构包括深度摄像机1、舵机上底座16、双轴舵机17、舵机下底座18、支撑盘19、单轴舵机20、舵机摇臂21和舵机圆盘法兰22；单轴舵机20通过螺钉固定在L型支架24的另一端上，用于控制深度摄像机1水平旋转；单轴舵机20的转轴与舵机摇臂21固定连接；支撑盘19固定在舵机摇臂21上；双轴舵机17的两侧通过两个舵机下底座18固定于支撑盘19上，可随单轴舵机20转动；双轴舵机17两侧的输出轴各固定有一个舵机圆盘法兰22，舵机圆盘法兰22能随着双轴舵机17的输出轴转动；舵机上底座16的两端与两个舵机圆盘法兰22固定连接；深度摄像机1固定在舵机上底座16上，舵机上底座16与双轴舵机17能够相对转动，实现深度摄像机1的俯仰运动，实现相机俯仰角的变化。

所述工控机9分别与深度摄像机1、激光雷达传感器3、超声传感器4和单片机23连接；所述单片机23分别与工控机9、双轴舵机17的内置编码器、单轴舵机20的内置编码器、直线电机27的编码器、底层驱动系统的编码器34连接；工控机9上安装有ROS(RobotOperation System)操作系统。

该动力传递结构还包括电机盖板28；电机盖板28固定在底座外壳5上，滚珠丝杠7通过滚动轴承安装在电机盖板28中，用于进一步支撑滚珠丝杠7；

所述底层驱动系统采用麦克纳姆轮系统，实现全方位移动，包括麦克纳姆轮6、电机减速机32、电机33和编码器34；电机33固定于底座外壳5内部，其输出端安装有电机减速机32，电机减速机32的输出端固定安装有麦克纳姆轮6；电机33具有编码器34，用于与单片机23连接，单片机23控制电机33的转速；电机减速机32起到减速增扭的作用；采用麦克纳姆轮6能够实现平台在不改变自身状态的情况下的全方位移动；

所述可拆卸式平台用来进行增加置物空间，用户可根据自己的需求改变可拆卸式平台的高度和层数，可拆卸式平台包括若干层，每层均包括支撑立柱、铰链支架和可拆卸式层板；支撑立柱的一端通过铰链支架安装于本层的可拆卸式层板上，两者构成转动副，另一端与上一层的可拆卸式层板连接；以此类推，每层的安装方式相同，进而实现层层的安装。以两层为例，包括支撑立柱一10、铰链支架11、可拆卸式一层板12、支撑立柱二13和可拆卸式二层板14；支撑立柱一10的一端通过铰链支架11安装于底盘2上，两者构成转动副，另一端通过螺纹与可拆卸式一层板12连接；支撑立柱二13的一端通过铰链支架11安装于可拆卸式一层板12上，两者构成转动副，另一端通过螺纹与可拆卸式二层板14连接；以此类推，每层的安装方式相同，进而实现层层的安装。

支撑立柱一10和支撑立柱二13均可以由两根较短的杆通过螺纹连接组成；每个铰链支架11的槽口朝向相差90°，四个方向产生的力互相平衡，保证可拆卸式板不会因承重物而损坏。

深度摄像机1采用kinect2.0。激光雷达传感器3采用测距传感器激光雷达X4。超声传感器4采用型号为HC-SR04的超声传感器；工控机9采用研华IPC-610L；双轴舵机17采用达盛RDS5160；单轴舵机20采用LDX-335MG数字舵机；单片机23采用STM32开发板，型号为STM32F103RBT6；直线电机27采用型号为ZH60HC76-0821A的直线电机；电机33采用ASLONG3530GB直流减速电机带编码器。

本发明的工作原理和工作流程是：

在运行平台之前，首先进行深度摄像机1的相机标定，使用张正友标定法确定空间三维几何位置与其在图像对应点之间的坐标转换关系(此目的主要是为了提高相机工作的准确性)。之后再进行平台和深度摄像机1的手眼标定，将深度摄像机坐标系(即Kinect坐标系)映射到数学坐标系中，得到深度摄像机1位姿与平台位姿之间的转换关系。

运行平台时，控制电机33运转，经电机减速机32把动力传递给麦克纳姆轮6，实现平台的移动。在平台移动的过程中，可以通过动力传递结构和舵机转盘结构实现深度摄像机1的旋转、俯仰、升降来扩大采集范围；深度摄像机1拍摄周围环境图像，形成图片流，传输至工控机9，工控机9使用SURF算法提取图像的特征点，计算描述符，结合特征的深度信息进行动态的RANSAC三维匹配，通过最小化重投影误差计算深度摄像机1的位姿，同时根据激光雷达传感器3和超声传感器4得到的环境信息进行位姿校正(激光雷达传感器3构建的二维栅格地图进行导航，超声传感器4探测的信息进行避障)，重新对路径进行规划，最后根据深度摄像机1位姿与平台位姿之间的转换关系，求解出平台的位姿，进而实现平台自身的定位和导航。运动到目的地后，通过搭载在平台上的作业装置(如机械手)进行作业。

为进一步实现实时监测的功能，将工控机9与一台装载ubuntu系统的上位机(电脑)连接进行数据的传输和远程操控。当移动平台通过深度摄像机1获得平台的位姿的同时进行作业环境三维稠密地图的构建，以平台位姿为节点，以位姿间的运动变换关系为边构建优化模型，得到精确的平台运动轨迹，生成点云信息，在上位机上面构件三维稠密地图，以方便用户对环境细节的把握。

此外还可以通过将手柄和工控机9连接，实现通过手柄对平台的远程控制。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种基于视觉SLAM的智能移动平台，其特征在于该平台包括视觉系统、底盘、激光雷达传感器、超声传感器、底座外壳、工控机、单片机、底层驱动系统和可拆卸式平台；

2.根据权利要求1所述的基于视觉SLAM的智能移动平台，其特征在于该动力传递结构还包括电机盖板；电机盖板固定在底座外壳上，滚珠丝杠通过滚动轴承安装在电机盖板中，用于进一步支撑滚珠丝杠。

3.根据权利要求1所述的基于视觉SLAM的智能移动平台，其特征在于所述底层驱动系统采用麦克纳姆轮系统，实现全方位移动，包括麦克纳姆轮、电机减速机、电机和编码器；电机固定于底座外壳内部，其输出端安装有电机减速机，电机减速机的输出端固定安装有麦克纳姆轮；电机具有编码器。

4.根据权利要求1所述的基于视觉SLAM的智能移动平台，其特征在于所述可拆卸式平台用来进行增加置物空间，可拆卸式平台包括若干层，每层均包括支撑立柱、铰链支架和可拆卸式层板；支撑立柱的一端通过铰链支架安装于本层的可拆卸式层板上，两者构成转动副，另一端与上一层的可拆卸式层板连接；以此类推，每层的安装方式相同，进而实现层层的安装。