CN110058261B - 一种快速生成机器人导航用电子地图的系统及方法 - Google Patents

一种快速生成机器人导航用电子地图的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速生成机器人导航用电子地图的系统及方法。所述系统包括便携式超宽带通讯基站，无人车，建筑物平面图以及用来生成电子地图的后台计算机。所述方法包括以下步骤：无人车或者无人机部署便携式超宽带通讯基站；获取所部署的便携式超宽带通讯基站的相对位置坐标估计；后台计算机将建筑物平面图数字化；无人车通过超宽带与激光测距结合方式给出验证点后台计算机控制无人车进行闭环求解，坐标估计与数字化平面图对齐生成电子地图。本发明可以快速的标定基站坐标以及与数字化的建筑平面图进行对齐，进而生成电子地图用于无人车定位及导航。

Description

一种快速生成机器人导航用电子地图的系统及方法
技术领域
本发明涉及无线通讯定位、无人机及无人智能车领域，具体涉及到一种快速生成机器人导航用电子地图的系统及方法。
背景技术
随着机器人技术的发展，移动机器人越来越多的进入我们的生活，应用场景包括室外和室内两种情况。室外情况下，可以使用GPS等GNSS定位方式结合地理信息系统地图来进行移动机器人的定位和导航。但在室内或一些较为密闭的场所时，因为信号穿透力等问题，GPS信号差或者是无法用GPS进行定位，无法实现室内自主定位。超宽带通讯方式为一种室内定位辅助方法，该技术具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势。但是该技术需要预先在已知位置安装通讯基站，使用起来较麻烦，且无法快速根据实际情况进行调整。根据障碍物情况绘制室内电子地图是另外一种室内定位辅助方法，该技术利用激光雷达的测距功能以及移动机器人的其他传感器技术，在移动机器人处于未知环境时，一边移动一边绘制周围的障碍物地图，同时在绘制好的地图中定位机器人的位置。该技术使用中不需要改造环境，但是需要一个较长的建立电子地图的时间，也不利于快捷部署移动机器人。另一方面，建筑物内部平面图是建筑物必备的文件，其描述了建筑物内部的尺寸和结构信息。但是该平面图目前无法直接用于移动机器人的导航定位应用中。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种快速生成机器人导航用电子地图的系统及方法。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种快速生成机器人导航用电子地图的系统及方法，包括便携式超宽带通讯基站，无人车或无人机，建筑物平面图以及用来生成电子地图的后台计算机。
进一步的，所述便携式超宽带通讯基站包括：配重底座、超宽带(UWB)通讯电路及天线、磁吸用的顶部铁片、电池；所述无人机或无人车内设置有部署基站用的电磁铁装置(可以采用市场上普通的电磁铁开关装置，开关IO可控)、测距用的激光雷达装置、车载超宽带基站、惯性测量单元和车辆里程计、超宽带通讯电路计时器。
进一步的，超宽带通讯电路(UWB)中带有分辨率达到皮秒的高精度计时器。
一种快速生成机器人导航用电子地图的方法，其包括以下步骤：
(1)、无人车部署便携式超宽带通讯基站；
(2)、获取所部署的便携式超宽带通讯基站的相对位置坐标估计；
(3)、后台计算机将建筑物平面图数字化；
(4)、无人车通过超宽带与激光测距结合方式给出验证点进行闭环求解，得到各个便携式超宽带通讯基站的坐标；
(5)、得到各个基站在数字化的建筑物平面图中的坐标后，将步骤(2)的坐标估计与步骤(3)的数字化平面图就对齐完毕，生成了可以用于机器人导航的电子地图。
进一步的，步骤(1)的部署便携式超宽带通讯基站是无人车或者无人机切断某个电磁铁电源，释放无人车或者无人机中的一个便携式超宽带通讯基站落在地面。
进一步的，在步骤(2)中相对位置坐标的获取过程是：
根据测距通讯的原理，测量便携式超宽带通讯基站之间的测距，在多于3个便携式超宽带通讯基站之间的两两距离已知的情况下，根据三角形的关系以及余弦定理得出便携式超宽带通讯基站的相对位置坐标。
所述测距通讯的原理如下：
设备A和B分别对应两个便携式超宽带通讯基站，设备A发起测距通讯，设备B响应完成测距通讯，每个设备使用高精度计时器精确地记录发送和接收的时间戳信息，设备B在收到设备A的信号后，延迟固定的时间回发信号，回发信号的时间与收到设备A信号的时间差为Treply，设备A接收到设备B信号的时间与设备A发送信号的时间差为Tround，通过高精度计时器的记录Treply和Tround，故信号在设备A和设备B之间的飞行时间为：
Tprop＝(Tround-Treply)/2
通过飞行时间和固定的光速，计算出两个设备之间的距离。
进一步的，步骤(3)是采用数字扫描以及图像处理，在人工辅助或者计算机处理，得到室内建筑实体基线图。所述数字化就是首先在建筑物平面图中建立坐标系，选择原点和正方向，然后标识出各个墙体、门窗的坐标位置。
进一步的，步骤(4)的实现过程具体是：无人车内的车载激光雷达在车辆静止时扫描周围障碍物情况，绘制周围障碍物基线图，在能够辨认出建筑基线特征的情况下，由人工或者计算机将该基线图和步骤(3)中电子化的建筑实体基线图进行对齐，以估计静止无人车的图中坐标，在估计静止车辆图中坐标的前提下，车载超宽带基站与步骤(1)中部署的便携式超宽带通讯基站进行双向测距通讯，根据与步骤(2)的原理求出便携式超宽带通讯基站的图中坐标的一组估计值，重复步骤(4)的过程，在若干次车辆静止位置数据的支持下，获得便携式超宽带通讯基站的最大概率坐标。
进一步地，步骤(4)所述验证点的确定如下：
4.1、释放第一个超宽带通讯基站并根据其周围的障碍物情况在第(3)步的数字化地图中估计第一个基站的坐标；
4.2、释放其余的超宽带通讯基站并进行基站之间的两两双边测距操作，根据余弦定理得到基站之间的三角关系；
4.3、后台计算机控制无人车走过一段距离，使用传感器测量这一段距离的长度和方向，并根据走动前与走动后的两个点的双边测距值来估计此两点的坐标值，进而估计所有其余基站的坐标值；
4.4、后台计算机控制无人车在建筑物中找寻障碍物特征显著的点作为验证点：首先使用障碍物特征在数字化平面图中估计出一个验证点坐标值，然后使用在验证点与各超宽带通讯基站之间的测距值再次得到一个坐标值，比较两者差值决定是否要回到4.1步重新估计第一个超宽带通讯基站的坐标，如果差距小于设定值则不需重新估计，大于设定值则需要重新估计。
进一步的，步骤(5)的实现过程具体是：根据步骤(4)算出的便携式超宽带通讯基站的最大概率坐标以及步骤(2)计算的便携式超宽带通讯基站之间的相对位置坐标估计，将步骤(3)中电子化的建筑实体基线图进行对齐精确对准，然后根据事先设定规则(可以是电子图现有规则或规范)，生成全部可达区域的电子地图。
与现有技术相比，本发明的带来的有益效果:
结合使用便携式超宽带通讯基站和激光雷达的无人车，在快速部署超宽带通讯基站后，综合超宽带通讯数据和激光雷达数据可以快速的标定基站坐标以及与数字化的建筑平面图进行对齐，进而生成电子地图用于无人车定位及导航。
附图说明
图1是本发明中的超宽带通讯基站的示意图。
图2是本发明中无人机快速部署基站的方法及装置的示例图。
图3是本发明中无人车快速部署基站的方法及装置的示例图。
图4是本发明中无人车定位用部件组成示意图。
图5是本发明中无人机、无人车快速部署基站的专用装置示意图。
图6是实施例的测距通讯的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图，对本发明的实施作作进一步详细说明，但本发明的实施和保护不限于此。
本实施例提供的一种快速生成机器人导航用电子地图的系统，包括便携式超宽带通讯基站(以下简称基站)，无人车，建筑物平面图以及用来生成高精度电子地图的后台计算机。
进一步的，所述系统还包括无人机。所述便携式超宽带通讯基站包括：配重底座、超宽带通讯电路及天线、磁吸用顶部铁片、供电用电池。所述无人机内设有部署基站用的电磁铁装置以及普通无人机飞行部分。
进一步的，所述无人车内设有部署基站用的电磁铁装置，测距用的激光雷达装置，车载超宽带基站，惯性测量单元和车辆里程计。
进一步的，超宽带通讯电路中带有分辨率达到皮秒的高精度计时器。
本实施例的一种快速生成机器人导航用电子地图的方法，包括以下步骤：
(1)、无人车或者无人机快速部署便携式超宽带通讯基站。无人车或者无人机使用电磁铁携带便携式超宽带通讯基站在未知区域进行快速部署，无人车或者无人机切断某个电磁铁电源，释放一个基站落在地面；可以在一个范围内快速合理布设多个便携式超宽带通讯基站。
(2)、获取所部署的便携式超宽带通讯基站的相对位置坐标估计。根据测距通讯的原理，测量便携式超宽带通讯基站之间的测距，在多于3个便携式超宽带通讯基站之间的两两距离已知的情况下，根据三角形的关系以及余弦定理得出便携式超宽带通讯基站的相对位置坐标。
所述的余弦定理是已知a,b,c为三角形三边长度,A,B,C分别为边a,b,c相对的角，则满足以下关系：
cosC＝(a^2+b^2-c^2)/(2·a·b)
cosB＝(a^2+c^2-b^2)/(2·a·c)
cosA＝(c^2+b^2-a^2)/(2·b·c)
所述测距通讯的原理如下：
设备A和B分别对应两个便携式超宽带通讯基站，如图6所示，设备A发起测距通讯，设备B响应完成测距通讯，每个设备使用高精度计时器精确地记录发送和接收的时间戳信息，设备B在收到设备A的信号后，延迟固定的时间回发信号，回发信号的时间与收到设备A信号的时间差为Treply，设备A接收到设备B信号的时间与设备A发送信号的时间差为Tround，通过高精度计时器的记录Treply和Tround，故信号在设备A和设备B之间的飞行时间为：
Tprop＝(Tround-Treply)/2
通过飞行时间和固定的光速，计算出两个设备之间的距离。
(3)、后台计算机将建筑物平面图数字化。采用数字扫描以及图像处理，在人工辅助或者计算机处理后，得到室内建筑实体基线图。室内建筑实体基线图在后续的电子地图生成过程中起到重要的参考作用。
(4)、无人车通过超宽带与激光测距结合方式给出验证点，具体过程是：车载激光雷达在车辆静止时扫描周围障碍物情况，绘制周围障碍物基线图，在能够辨认出建筑基线特征的情况下，由人工或者计算机将该基线图和步骤(3)中电子化的建筑实体基线图进行对齐，以估计静止无人车的图中坐标，在估计静止车辆图中坐标的前提下，车载超宽带基站与步骤(1)中部署的便携式超宽带通讯基站进行双向测距通讯，根据与步骤(2)的原理求出便携式超宽带通讯基站的图中坐标的一组估计值，重复步骤(4)的过程，在若干次车辆静止位置数据的支持下，获得便携式超宽带通讯基站的最大概率坐标。
(5)、后台计算机控制无人车进行闭环求解，将步骤(2)的坐标估计与步骤(3)的数字化平面图快速对齐生成电子地图，具体过程是：根据步骤(4)算出的便携式超宽带通讯基站的最大概率坐标以及步骤(2)计算的便携式超宽带通讯基站之间的相对位置坐标估计，将步骤(3)中电子化的建筑实体基线图进行对齐精确对准，然后根据现有规则生成全部可达区域的电子地图。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种快速生成机器人导航用电子地图的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、无人车部署便携式超宽带通讯基站；
(2)、获取所部署的便携式超宽带通讯基站的相对位置坐标估计；
(3)、后台计算机将建筑物平面图数字化；
(4)、无人车通过超宽带与激光测距结合方式给出验证点进行闭环求解，得到各个便携式超宽带通讯基站的坐标；无人车内的车载激光雷达在车辆静止时扫描周围障碍物情况，绘制周围障碍物基线图，在能够辨认出建筑基线特征的情况下，由人工或者计算机将该基线图和步骤(3)中电子化的建筑实体基线图进行对齐，以估计静止无人车的图中坐标，在估计静止车辆图中坐标的前提下，车载超宽带基站与步骤(1)中部署的便携式超宽带通讯基站进行双向测距通讯，根据与步骤(2)的原理求出便携式超宽带通讯基站的图中坐标的一组估计值，重复步骤(4)的过程，在若干次车辆静止位置数据的支持下，获得便携式超宽带通讯基站的最大概率坐标；后台计算机控制无人车在建筑物中找寻障碍物特征显著的点作为验证点；
(5)、得到各个基站在数字化的建筑物平面图中的坐标后，将步骤(2)的坐标估计与步骤(3)的数字化平面图就对齐完毕，生成了可以用于机器人导航的电子地图。
2.根据权利要求1所述的一种快速生成机器人导航用电子地图的方法，其特征在于，步骤(1)的部署便携式超宽带通讯基站是无人车或者无人机切断某个电磁铁装置的电源，释放无人车或者无人机中的一个便携式超宽带通讯基站落在地面。
3.根据权利要求1所述的一种快速生成机器人导航用电子地图的方法，其特征在于，在步骤(2)中相对位置坐标的获取过程是：
根据测距通讯的原理，测量便携式超宽带通讯基站之间的测距，在多于3个便携式超宽带通讯基站之间的两两距离已知的情况下，根据三角形关系以及余弦定理得出便携式超宽带通讯基站的相对位置坐标；
所述测距通讯的原理如下：
设备A和B分别对应两个便携式超宽带通讯基站，设备A发起测距通讯，设备B响应完成测距通讯，每个设备使用高精度计时器精确地记录发送和接收的时间戳信息，设备B在收到设备A的信号后，延迟固定的时间回发信号，回发信号的时间与收到设备A信号的时间差为Treply，设备A接收到设备B信号的时间与设备A发送信号的时间差为Tround，通过高精度计时器的记录Treply和Tround，故信号在设备A和设备B之间的飞行时间为：
Tprop＝(Tround-Treply)/2
通过飞行时间和固定的光速，计算出两个设备之间的距离。
4.根据权利要求1所述的一种快速生成机器人导航用电子地图的方法，其特征在于，步骤(3)中对建筑物平面图采用数字扫描以及图像处理，得到室内建筑实体基线图；所述数字化就是首先在建筑物平面图中建立坐标系，选择原点和正方向，然后标识出各个墙体、门窗的坐标位置。
5.根据权利要求1所述的一种快速生成机器人导航用电子地图的方法，其特征在于，步骤(4)所述验证点的确定如下：
4.1、释放第一个超宽带通讯基站并根据其周围的障碍物情况在第(3)步的数字化地图中估计第一个基站的坐标；
4.2、释放其余的超宽带通讯基站并进行基站之间的两两双边测距操作，根据余弦定理得到基站之间的三角关系；
4.3、后台计算机控制无人车走过一段距离，使用传感器测量这一段距离的长度和方向，并根据走动前与走动后的两个点的双边测距值来估计此两点的坐标值，进而估计所有其余基站的坐标值；
4.4、后台计算机控制无人车在建筑物中找寻障碍物特征显著的点作为验证点：首先使用障碍物特征在数字化平面图中估计出一个验证点坐标值，然后使用在验证点与各超宽带通讯基站之间的测距值再次得到一个坐标值，比较两者差值决定是否要回到4.1步重新估计第一个超宽带通讯基站的坐标，如果差距小于设定值则不需重新估计，大于设定值则需要重新估计。
6.根据权利要求1所述的一种快速生成机器人导航用电子地图的方法，其特征在于，步骤(5)的实现过程具体是：根据步骤(4)算出的便携式超宽带通讯基站的最大概率坐标以及步骤(2)计算的便携式超宽带通讯基站之间的相对位置坐标估计，将步骤(3)中电子化的建筑实体基线图进行对齐，然后生成全部可达区域的电子地图。
7.根据权利要求1所述的一种快速生成机器人导航用电子地图的方法，其特征在于，所述无人车用无人机代替。
8.一种实现权利要求1～7任一项所述方法的快速生成机器人导航用电子地图的系统，其特征在于，包括便携式超宽带通讯基站，无人车或无人机，建筑物平面图以及用来生成电子地图的后台计算机；所述便携式超宽带通讯基站包括：配重底座、超宽带(UWB)通讯电路及天线、磁吸用的顶部铁片、电池；所述无人机或无人车内设置有部署基站用的电磁铁装置、测距用的激光雷达装置、车载超宽带基站、惯性测量单元和车辆里程计、超宽带通讯电路计时器。
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