CN111060093B - 一种基于单折角板的移动机器人定位方法及系统 - Google Patents

一种基于单折角板的移动机器人定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明适用于机器人定位技术领域，提供了一种单折角板的移动机器人定位方法及系统，该方法包括如下步骤：S1、提取激光雷达当前帧扫描数据中的折角板；S2、读取折角板在激光雷达坐标系中的位置，基于折角板在路标地图中的位置来计算移动机器人在路标地图中的位姿P(x,y,theta)，(x,y)为移动机器人在路标地图中的位置，theta为移动机器人的偏航角；其中，折角板由两个呈一定角度的面板组成，折角板位置由两面板交线的投影点坐标及两面板的投影线段的单位矢量构成。仅基于激光雷达和折角板进行定位，不依赖其它传感器和安装环境，降低环境改装的成本，提高了定位精度和效率。

Description

一种基于单折角板的移动机器人定位方法及系统
技术领域
本发明属于机器人定位技术领域，提供了一种基于单折角板的移动机器人定位方法及系统。
背景技术
随着移动机器人在服务和仓储物流领域有着越来越广泛的应用，其自主定位导航技术也越发重要。现主要技术有二维码导航、磁导航、视觉SLAM和激光SLAM，因为激光SLAM不需要对环境进行大幅更改，受环境的影响比较小，所以激光SLAM在工业应用越来越广。然而激光SLAM存在一个问题，因为其导航地图的分辨率普遍在0.02m-0.05m之间，导致激光SLAM定位精度难以超过地图的分辨率精度。为了解决上述问题，现有的方案主要包含如下三种：1)视觉辅助精定位。使用单目、双目或深度相机对标记物体进行识别与定位，推算出机器人的坐标数据。2)多超声波传感器辅助精定位。通过在移动机器人的四个朝向上安装超声波传感器，通过超声波传感器测距形成定位坐标，定位精度可达厘米级。3)光电传感器辅助精定位。在机器人需要局部高精度定位的目标位置安装光电传感器，当检测到机器人到达目标位置时发送停止信号。
以上方法不仅让机器人多安装了其它传感器，提高了机器人的成本，还需要对环境中的标记物和安装的传感器进行精度标定，操作繁杂，影响工作效率，而且定位精度不高。
发明内容
本发明实施例提供一种基于单折角板的移动机器人定位方法，基于激光雷达和折角板进行定位，在不影响定位精度和效率的前提下，降低环境改装的成本。
本发明是这样实现的，一种单折角板的移动机器人定位方法，所述方法具体包括如下步骤：
S1、提取激光雷达当前帧扫描数据中的折角板；
S2、读取折角板在激光雷达坐标系中的位置，基于折角板在路标地图中的位置来计算移动机器人在路标地图中的位姿P(x,y,theta)，(x,y)为移动机器人在路标地图中的位置，theta为移动机器人的偏航角；
其中，折角板由两个呈一定角度的面板组成，折角板位置由两面板交线的投影点坐标及两面板的投影线段的单位矢量构成。
进一步的，折角板的提取方法具体包括如下步骤：
S11、当前帧扫描数据从最小扫描角到最大扫描角顺序输出，依次顺序提取N条满足长度阈值的线段；
S12、遍历N条线段，计算任意相邻两条线段的长度L1、L2及两条线段的首尾距离Dist，将满足L1-L2小于阈值，且Dist小于预设阈值的两相邻线段点集执行步骤S13；
S13、计算两相邻线段间的夹角θ，并计算夹角θ与折角板实际夹角的差值，若该差值位于允许的偏差范围内，则认定该相邻线段即为折角板两面板的投影线段；
S14、计算第一条线段的剔除比例系数div，基于剔除比例系数div在第一点段的尾部来剔除属于第二线段的点集；
S15、对两相邻线段分别进行RANSAC内点提取，找到内点最多的两条直线，对内点进行直线拟合，形成折角板两面板的投影线段，计算折角板两面板投影线段的交点及折角板两面板投影线段的单位矢量
Figure BDA0002349218660000021
进一步的，所述线段提取方法具体如下：
S111、基于当前帧的前两点来计算线段L；
S112、检测下一个点到线段L的距离是否小于距离阈值T，若检测结果为是，执行步骤S113，若检测结果为否，则执行步骤S114；
S113、将下一个点放入线段的点集中，对点集进行线性最小二乘拟合，更新线段L，执行步骤S112；
S114、计算线段L的长度DL，若legth_min≤DL≤length_max，则更新线段L，将点集保存到线集合，将点集中最后一个点的后面两个点作为下一条线段的线段起点，并计算出下一条线段，执行步骤S112，直至遍历完当前帧扫描数据中的所有点。
进一步的，两相邻线段的夹角θ的计算方法具体如下：
计算两相邻线段的交点，由交点和两相邻线段点集中的两数据点分别构建两单位矢量
Figure BDA0002349218660000031
和
Figure BDA0002349218660000032
基于单位矢量
Figure BDA0002349218660000033
和
Figure BDA0002349218660000034
的点乘计算夹角θ，计算公式具体如下：
Figure BDA0002349218660000035
进一步的，移动机器人的偏航角的计算具体如下：
Figure BDA0002349218660000036
其中，
Figure BDA0002349218660000037
和
Figure BDA0002349218660000038
分别为折角板两面板投影线段在激光雷达坐标系中的单位矢量，
Figure BDA0002349218660000039
和
Figure BDA00023492186600000310
分别为折角板两面板投影线段在路标坐标系中的单位矢量。
进一步的，激光雷达在路标地图中的位置坐标Pg(x,y)计算公式具体如下：
Pg＝p_m-R*p_l
其中，p_m为折角板在路标坐标系中的角点坐标，p_l为折角板在激光雷达坐标系中的角点坐标，R为旋转矩阵。
本发明是这样实现的，一种基于单折角板的移动机器人定位系统，所述系统包括：
设于定位区域的一个折角板，折角板垂直于地面设置，折角板由两个呈一定角度的面板组成；平行设于移动机器人前端的激光雷达，激光雷达与处理器连接，处理器与存储器连接，存储器中存储有路标地图，激光雷达扫描行驶区域的环境，将扫描到的环境数据发送至处理器，处理器基于权利要求1至6所述基于单折角板的移动机器人定位方法来对机动移动机器人进行定位。
本发明提供的基于单折角板的移动机器人定位方法具有如下有益技术效果：仅基于激光雷达和折角板进行定位，不依赖其它传感器和安装环境，降低环境改装的成本，提高了定位精度和效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于单折角板的移动机器人定位方法流程图；
图2为本发明实施例提供的折角板的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明实施例提供的基于单折角板的移动机器人定位方法流程图，该方法包括如下步骤：
S1、提取激光雷达当前帧扫描数据中的折角板，折角板的结构如图2所示，折角板的识别方法具体包括如下步骤：
S11、当前帧扫描数据从最小扫描角到最大扫描角顺序输出，依次顺序提取N条满足长度阈值的线段，线段提取方法具体如下：
S111、基于当前帧的前两点来计算线段L；
S112、检测下一个点到线段L的距离是否小于距离阈值T，若检测结果为是，执行步骤S113，若检测结果为否，则执行步骤S114；
S113、将下一个点放入线段的点集中，对点集进行线性最小二乘拟合，更新线段L，执行步骤S112；
S114、计算线段L的长度DL，若legth_min≤DL≤length_max，则更新线段L，将点集保存到线集合，将点集中最后一个点的后面两个点作为下一条线段的线段起点，并计算出下一条线段，执行步骤S112，直至遍历完当前帧扫描数据中的所有点，线集合中提取有N条满足线段长度阈值要求的线段点集，长度阈值的最小长度设为legth_min，长度阈值的最大长度设为length_max。
S12、遍历N条线段，计算任意相邻两条线段的长度及两条线段的首尾距离，两条线段的首尾距离是指第一条线段的尾部距第二条线段头部的距离Dist，将满足L1-L2小于阈值，Dist小于预设阈值的两相邻线段点集执行步骤S13，其中，L1、L2分别是指第一条线段和第二条线段的距离。
S13、计算两相邻线段的夹角θ，将夹角θ与折角板夹角的差值，若该差值位于允许的偏差范围，则认定该相邻线段即为折角板两面板的投影线段；
计算两相邻线段的交点，由交点和两相邻线段点集中的两数据点分别构建两单位矢量
Figure BDA0002349218660000051
和
Figure BDA0002349218660000052
使用矢量点乘计算夹角θ：
Figure BDA0002349218660000053
S14、计算第一条线段的剔除比例系数div，基于剔除比例系数div在第一点段的尾部来剔除属于第二线段的点集，并执行步骤S15；
筛选折角板的第一条线段的原始点集，将原本属于第二条线段的点集剔除，剔除比例系数div由折角板夹角θ和距离阈值T得出：
Figure BDA0002349218660000054
其中，a为折角板单面板在投影方向上的实际距离。
S15、对两相邻线段分别进行RANSAC内点提取，找到内点最多的两条直线，对内点进行直线拟合，形成折角板两面板的投影线段，计算折角板两面板投影线段的交点及折角板两面板投影线段的单位矢量
Figure BDA0002349218660000055
折角板两面板投影线段的交点即折角板的角点坐标(x,y)；
分别对两个线段点集进行RANSAC内点提取，具体设定了RANSAC直线内点判定阈值，设定迭代停止次数阈值，最终在线段原始点集中找到两点所在的直线内点数最多，保存内点点集，重新进行线性最小二乘拟合，得到折角板的两条高精度线段，计算两线段的交点和矢量，即是折角板的角点坐标(x,y)和折角板两面板投影线段的单位矢量
Figure BDA0002349218660000061
和
Figure BDA0002349218660000062
S2、基于路标地图对提取到的折角板进行定位，获取移动机器人在路标地图中的位姿。
在本发明实施例中，在步骤S2之前还包括：构建路标地图，路标地图的构建方法具体如下：
移动机器人在激光SLAM过程中，当激光雷达识别到折角板并且识别次数达到预设的K次阈值，计算K次折角板角点全局坐标的均值μ和标准差σ，构建正态分布，留取偏差在2σ范围内的折角板角点坐标点集，计算该范围内折角板角点全局坐标和组成折角板线段的两个单位矢量的均值，最后保存结果为折角板角点坐标p2(x2,y2)和折角板两面板投影条线段的单位矢量
Figure BDA0002349218660000063
和
Figure BDA0002349218660000064
路标地图中的折角板坐标是全局地图坐标系，而激光雷达实时提取的折角板位置是机器人坐标系的局部坐标。当两个坐标系中的折角板重合时，机器人坐标系的原点在全局地图中的坐标即是机器人的位置，其y轴正方向与全局地图坐标系的x轴正方向的夹角即是机器人的偏航角，基于折角板的定位方法具体包括如下步骤：
S1、读取折角板在激光雷达坐标系即局部坐标系中的位置，
S2、基于折角板在路标坐标系(全局坐标系)中的位置来计算移动机器人在路标坐标系(即全局坐标系)中的位置和偏航角，其计算方法具体如下：
折角板的位置由角点坐标p1(x1,y1)及折角板两面板投影线段的单位矢量
Figure BDA0002349218660000065
和
Figure BDA0002349218660000066
组成；折角板在激光雷达坐标系中的角点坐标为p1(x1,y1)，折角板两面板投影线段在激光雷达坐标系中的单位矢量
Figure BDA0002349218660000067
和
Figure BDA0002349218660000068
折角板在路标坐标系中的角点坐标为p2(x2,y2)，折角板两面板投影线段在路标坐标系中的单位矢量
Figure BDA0002349218660000069
和
Figure BDA00023492186600000610
那么
Figure BDA00023492186600000611
和
Figure BDA00023492186600000612
的夹角即是偏航角theta，具体使用如下公式计算：
Figure BDA0002349218660000071
此theta即为激光雷达或机器人逆时针旋转的偏航角，机器人的全局坐标计算方法具体如下：
已知雷达旋转角theta、当前折角板的角点局部坐标p_l和全局地图中折角板角点的坐标p_m，将theta转化为旋转矩阵R，由以下公式计算得到当前激光雷达在全局地图中的位置坐标Pg(x,y)的计算公式具体如下:
Pg＝p_m-R*p_l
最终得到当前激光雷达或者机器人在全局地图中的位姿P(x,y,theta)。
本发明还提供一种基于单折角板的移动机器人定位系统，该系统包括：
设于定位区域的一个折角板，折角板垂直于地面设置，平行设于移动机器人前端的激光雷达，激光雷达与处理器连接，处理器与存储器连接，存储器中存储有路标地图，激光雷达扫描行驶区域的环境，将扫描到的环境数据发送至处理器，处理器基于扫描数据中的折角板来对机动移动机器人进行定位。
本发明提供的基于单折角板的移动机器人定位方法具有如下有益技术效果：仅基于激光雷达和折角板进行定位，不依赖其它传感器和安装环境，降低环境改装的成本，提高了定位精度和效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种单折角板的移动机器人定位方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
S1、提取激光雷达当前帧扫描数据中的折角板；
S2、读取折角板在激光雷达坐标系中的位置，基于折角板在激光雷达坐标系中的位置及其在路标地图中的位置来计算移动机器人在路标地图中的位姿P(x,y,theta)，(x,y)为移动机器人在路标地图中的位置，theta为移动机器人的偏航角；
其中，折角板由两个呈一定角度的面板组成，折角板位置由两面板投影线段的交点坐标及两面板的投影线段的单位矢量构成，折角板两面板投影线段的交点即折角板的角点坐标，折角板垂直于地面设置；
移动机器人的偏航角的计算具体如下：
Figure FDA0003080136770000011
其中，
Figure FDA0003080136770000012
和
Figure FDA0003080136770000013
分别为折角板两面板投影线段在激光雷达坐标系中的单位矢量，
Figure FDA0003080136770000014
和
Figure FDA0003080136770000015
分别为折角板两面板投影线段在路标坐标系中的单位矢量；
激光雷达在路标地图中的位置坐标Pg(x′,y′)计算公式具体如下：
Pg＝p_m-R*p_l
其中，p_m为折角板在路标坐标系中的角点坐标，p_l为折角板在激光雷达坐标系中的角点坐标，R为由theta转化得到的旋转矩阵，最终得到机器人在路标地图中的位姿P(x,y,theta)；
折角板的提取方法具体包括如下步骤：
S11、当前帧扫描数据从最小扫描角到最大扫描角顺序输出，依次顺序提取N条满足长度阈值的线段；
S12、遍历N条线段，计算任意相邻两条线段的长度L1、L2及两条线段的首尾距离Dist，将满足L1-L2小于阈值，且Dist小于预设阈值的两相邻线段点集执行步骤S13；
S13、计算两相邻线段的夹角θ，并计算夹角θ与折角板实际夹角的差值，若该差值位于允许的偏差范围内，则认定该两相邻线段即为折角板两面板的投影线段；
S14、计算第一条线段的剔除比例系数div，基于剔除比例系数div在第一条线段的尾部来剔除属于第二条线段的点集；
筛选折角板的第一条线段的原始点集，将原本属于第二条线段的点集剔除，剔除比例系数div由夹角θ和距离阈值T得出：
Figure FDA0003080136770000021
其中，a为折角板单面板在投影方向上的实际距离；
S15、对两相邻线段分别进行RANSAC内点提取，找到内点最多的两条直线，对内点进行直线拟合，形成折角板两面板的投影线段，计算折角板两面板投影线段的交点及折角板两面板投影线段的单位矢量
Figure FDA0003080136770000022
2.如权利要求1所述单折角板的移动机器人定位方法，其特征在于，所述线段提取方法具体如下：
S111、基于当前帧的前两点来计算线段L；
S112、检测下一个点到线段L的距离是否小于距离阈值T，若检测结果为是，执行步骤S113，若检测结果为否，则执行步骤S114；
S113、将下一个点放入线段的点集中，对点集进行线性最小二乘拟合，更新线段L，执行步骤S112；
S114、计算线段L的长度DL，若legth_min≤DL≤length_max，则更新线段L，将点集保存到线集合，基于点集中最后一个点的后面两个点计算出下一条线段，执行步骤S112，直至遍历完当前帧扫描数据中的所有点。
3.如权利要求1所述单折角板的移动机器人定位方法，其特征在于，两相邻线段的夹角θ的计算方法具体如下：
计算两相邻线段的交点，由交点和两相邻线段点集中的两数据点分别构建两单位矢量
Figure FDA0003080136770000031
和
Figure FDA0003080136770000032
基于单位矢量
Figure FDA0003080136770000033
和
Figure FDA0003080136770000034
的点乘计算夹角θ，计算公式具体如下：
Figure FDA0003080136770000035
4.一种基于单折角板的移动机器人定位系统，其特征在于，所述系统包括：
设于定位区域的一个折角板，折角板垂直于地面设置，折角板由两个呈一定角度的面板组成；
平行设于移动机器人前端的激光雷达，激光雷达与处理器连接，处理器与存储器连接，存储器中存储有路标地图，激光雷达扫描行驶区域的环境，将扫描到的环境数据发送至处理器，处理器基于权利要求1至3任一项所述基于单折角板的移动机器人定位方法来对机动移动机器人进行定位。
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