CN111308491A - 一种基于多传感器组合的障碍物感知方法 - Google Patents

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桂坡坡
胡建平
徐昆源
陆新民
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    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes

Abstract

本发明公开了一种基于多传感器组合的障碍物感知方法，在室内机器人上不同位置分别安装多线激光雷达、单线激光雷达、深度相机以及超声波传感器；多线激光雷达用于比较精确地测量出距离，并感知周围360°的环境信息，单线激光雷达用于快速感知动静障碍物，深度相机则用于检测拍摄空间的距离信息，并获取前方视野一个面中的障碍物信息，三者相互弥补，以消除探测盲区；超声波传感器则用于探测上述光学传感器无法探测到的光学不可见障碍物(例如玻璃)；通过这四种传感器的相互组合，在室内各种复杂多变的环境中，能够确保室内机器人可以全方位地准确且稳定地感知到各种障碍物。

Description

一种基于多传感器组合的障碍物感知方法
技术领域
本发明涉及一种基于多传感器组合的障碍物感知方法。
背景技术
在室内机器人领域，机器人需要时刻感知周围环境中的障碍物，以进行合理的行进与避障。机器人依靠传感器获取环境信息，然后处理得到的障碍物信息，最后作出决策。根据室内机器人的特性，按障碍物相对于机器人的位置分，主要有低矮障碍物、悬空障碍物、一般高度障碍物；按障碍物的运动特性分，主要有动态障碍物及静态障碍物；按障碍物的几何特征分，主要有点状障碍物、线状障碍物及面状障碍物等；按障碍物的物理特性分，主要有光学可见的障碍物及光学不可见的障碍(如玻璃)。
目前室内机器人一般采用激光测距传感器避障、视觉传感器避障、超声波传感器避障、红外探测避障等，每一个传感器都有自身的局限性，比如探测范围和有效视角等。室内机器人的感知系统需要全面的、准确且稳定的障碍物感知，单一传感器显然无法满足感知需求。
因此，室内机器人对障碍物的感知需要使用多传感器互相配合，确保可以全方位地准确且稳定地感知到各种障碍物。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多传感器组合的障碍物感知方法，在室内各种复杂多变的环境中，能够确保室内机器人可以全方位地准确且稳定地感知到各种障碍物。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于多传感器组合的障碍物感知方法，用于高度为H的室内机器人，包括以下步骤：
(1)在所述室内机器人的顶部设置多线激光雷达，所述多线激光雷达的探测范围由两条在同一竖直平面内且互成夹角的第一射线水平旋转一周形成，两条所述第一射线分别位于交点所在水平面的上下两侧；
(2)在所述室内机器人的前侧设置单线激光雷达，所述单线激光雷达的探测范围由一条水平的第二射线绕其发射点在水平面内旋转第一角度形成；
(3)在所述室内机器人的前侧设置高度低于所述单线激光雷达的第一深度相机、高度高于所述单线激光雷达且低于所述多线激光雷达的第二深度相机，在所述室内机器人的后侧设置第三深度相机，所述第一深度相机和所述第二深度相机用于探测所述机器人的前方，所述第三深度相机用于探测所述机器人的后方；
(4)在所述室内机器人的侧部沿其周向设置超声波传感器，用于探测所述室内机器人四周的光学不可见障碍物。
优选地，两条所述第一射线在端点处相交，且分别与水平面成α夹角和β夹角。
更优选地，所述α夹角和所述β夹角相同，且均为锐角。
优选地，两条所述第一射线的旋转中心位于所述多线激光雷达的竖直中心线上。
优选地，所述单线激光雷达的高度在0.2H-0.4H之间，用于快速感知探测范围内的动静障碍物。
优选地，所述单线激光雷达的探测范围为圆心角大于180°的扇形。
优选地，所述第一深度相机的高度在0-0.2H之间，用于感知探测范围内的低矮障碍物；所述第二深度相机的高度在0.5H-0.7H之间，用于感知探测范围内的悬空障碍物；所述第三深度相机的高度在0.5H-0.7H之间，用于在所述室内机器人掉头时感知探测范围内的悬空障碍物。
优选地，所述超声波传感器沿所述室内机器人的周向设置有多个，用于相互配合的探测所述室内机器人前方、前侧方、后方和后侧方的光学不可见障碍物。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种基于多传感器组合的障碍物感知方法，在室内机器人上不同位置分别安装多线激光雷达、单线激光雷达、深度相机以及超声波传感器；多线激光雷达用于比较精确地测量出距离，并感知周围360°的环境信息，单线激光雷达用于快速感知动静障碍物，深度相机则用于检测拍摄空间的距离信息，并获取前方视野一个面中的障碍物信息，三者相互弥补，以消除探测盲区；超声波传感器则用于探测上述光学传感器无法探测到的光学不可见障碍物(例如玻璃)；通过这四种传感器的相互组合，在室内各种复杂多变的环境中，能够确保室内机器人可以全方位地准确且稳定地感知到各种障碍物。
附图说明
附图1为四种传感器的探测范围示意图；
附图2为多线激光雷达的探测范围示意图；
附图3为单线激光雷达的探测范围示意图；
附图4为深度相机的探测范围示意图；
附图5为超声波传感器的探测范围示意图。
其中：1、室内机器人。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
上述一种基于多传感器组合的障碍物感知方法，用于高度为H的室内机器人1，包括以下步骤：
(1)在室内机器人1(在本实施例中，H＝1.1m)的顶部设置多线激光雷达，多线激光雷达的探测范围由两条在同一竖直平面内且互成夹角的第一射线水平旋转一周形成，两条第一射线分别位于交点所在水平面的上下两侧。
在本实施例中，两条第一射线在端点处相交，且分别与水平面成α夹角和β夹角，参见图2所述，α夹角和β夹角相同，且均为锐角；两条第一射线的旋转中心位于多线激光雷达的竖直中心线上。
多线激光雷达用于比较精确地测量出距离，在此采用多线激光雷达部署在机器人的顶部的方式，并感知周围360°的环境信息；从图2中可以看出，该多线激光雷达的探测盲区为下方的近似锥体。
(2)在室内机器人1的前侧设置单线激光雷达，单线激光雷达的探测范围由一条水平的第二射线绕其发射点在水平面内旋转第一角度形成。
在本实施例中，单线激光雷达的高度在0.2H-0.4H之间，用于快速感知探测范围内的动静障碍物；单线激光雷达的探测范围为圆心角大于180°的扇形。参见图3所示，单线激光雷达的探测范围包括室内机器人1前方和左右两侧，其探测角度为240°。
单线激光雷达与多线激光雷达的区别在于，单线激光雷达的激光源发出的线束是单线，其扫描速度快、分辨率强、可靠性高，相比多线激光雷达，单线激光雷达在角频率及灵敏度上反应更快捷。因此，在测试周围障碍物的距离和精度上都更加精准。但单线激光雷达只能平面式扫描，不能测量物体高度。将单线激光雷达部署在室内机器人1前部离地0.2H-0.4H的位置，主要负责一个平面内的障碍物感知，对动静障碍物有快速准确地反应。
(3)在室内机器人1的前侧设置高度低于单线激光雷达的第一深度相机、高度高于单线激光雷达且低于多线激光雷达的第二深度相机，在室内机器人1的后侧设置第三深度相机，第一深度相机和第二深度相机用于探测机器人的前方，第三深度相机用于探测机器人的后方。
在本实施例中，第一深度相机的高度在0-0.2H之间，用于感知探测范围内的低矮障碍物；第二深度相机的高度在0.5H-0.7H之间，用于感知探测范围内的悬空障碍物；第三深度相机的高度在0.5H-0.7H之间，用于在室内机器人1掉头时感知探测范围内的悬空障碍物。
深度相机能检测出拍摄空间的距离信息，因此通过深度相机可以获取前方视野一个面中的障碍物信息，如参见图4所示。同时，深度相机有一定的局限性，主要为测距范围有限，视角有限，稳定性有限。在此采用的部署方式为室内机器人1前部上方一个，前部下方一个，后部上方一个。其主要功能为感知低矮障碍物以及悬空障碍物，以弥补多线激光雷达和单线激光雷达所探测不到的盲区。
通过这种部署，其能探测到车身0.4m外距离地面0.02m-0.3m之间的低矮障碍物，探测距离为0.2m-4m，探测最大宽度为1m。对于低矮障碍物以及悬空障碍物都有较好的探测效果。
(4)在室内机器人1的侧部沿其周向设置超声波传感器，用于探测室内机器人1四周的光学不可见障碍物。
在本实施例中，超声波传感器沿室内机器人1的周向设置有多个，用于相互配合的探测室内机器人1前方、前侧方、后方和后侧方的光学不可见障碍物(例如玻璃)。
超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号(通常是电信号)的传感器。超声波是振动频率高于20kHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。室内环境中有部分障碍物是上述光学传感器无法感知到的，最常见的为玻璃，因此就需要超声波传感器来解决这部分问题，超声波传感器的部署方案如图4所示，沿室内机器人1的周向设置在其前方、前侧方、后方和后侧方。
参见图1所示，为俯视状态下四种传感器的探测范围示意图，其中A区域为多线激光雷达的探测范围，B区域为单线激光雷达的探测范围，C区域为深度相机的探测范围，D区域为超声波传感器的探测范围。
通过这四种传感器的相互组合，在室内各种复杂多变的环境中，能够确保室内机器人1可以全方位地准确且稳定地感知到各种障碍物。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于多传感器组合的障碍物感知方法，用于高度为H的室内机器人，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在所述室内机器人的顶部设置多线激光雷达，所述多线激光雷达的探测范围由两条在同一竖直平面内且互成夹角的第一射线水平旋转一周形成，两条所述第一射线分别位于交点所在水平面的上下两侧；
(2)在所述室内机器人的前侧设置单线激光雷达，所述单线激光雷达的探测范围由一条水平的第二射线绕其发射点在水平面内旋转第一角度形成；
(3)在所述室内机器人的前侧设置高度低于所述单线激光雷达的第一深度相机、高度高于所述单线激光雷达且低于所述多线激光雷达的第二深度相机，在所述室内机器人的后侧设置第三深度相机，所述第一深度相机和所述第二深度相机用于探测所述机器人的前方，所述第三深度相机用于探测所述机器人的后方；
(4)在所述室内机器人的侧部沿其周向设置超声波传感器，用于探测所述室内机器人四周的光学不可见障碍物。
2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器组合的障碍物感知方法，其特征在于：两条所述第一射线在端点处相交，且分别与水平面成α夹角和β夹角。
3.根据权利要求2所述的一种基于多传感器组合的障碍物感知方法，其特征在于：所述α夹角和所述β夹角相同，且均为锐角。
4.根据权利要求1所述的一种基于多传感器组合的障碍物感知方法，其特征在于：两条所述第一射线的旋转中心位于所述多线激光雷达的竖直中心线上。
5.根据权利要求1所述的一种基于多传感器组合的障碍物感知方法，其特征在于：所述单线激光雷达的高度在0.2H-0.4H之间，用于快速感知探测范围内的动静障碍物。
6.根据权利要求1所述的一种基于多传感器组合的障碍物感知方法，其特征在于：所述单线激光雷达的探测范围为圆心角大于180°的扇形。
7.根据权利要求1所述的一种基于多传感器组合的障碍物感知方法，其特征在于：所述第一深度相机的高度在0-0.2H之间，用于感知探测范围内的低矮障碍物；所述第二深度相机的高度在0.5H-0.7H之间，用于感知探测范围内的悬空障碍物；所述第三深度相机的高度在0.5H-0.7H之间，用于在所述室内机器人掉头时感知探测范围内的悬空障碍物。
8.根据权利要求1所述的一种基于多传感器组合的障碍物感知方法，其特征在于：所述超声波传感器沿所述室内机器人的周向设置有多个，用于相互配合的探测所述室内机器人前方、前侧方、后方和后侧方的光学不可见障碍物。
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