CN112731923B - 一种集群机器人协同定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集群机器人协同定位系统及方法，该系统包括：主机器人，用于构建环境地图及导航定位；与所述主机器人通信连接的从机器人，用于基于所述主机器人构建的地图以及所述主机器人进行导航定位；机器人控制模块，用于处理主机器人和从机器人之间的定位数据和通信数据，完成由主机器人和从机器人构建的集群机器人之间的协同操作。本发明通过少量的高精度激光雷达及少量的参照物，提供普通激光雷达同样高精度的定位，有效降低自然导航机器人在集群机器人定位时的高成本问题，同时通过局部共享高精度雷达数据，提高普通雷达识别障碍物的能力。

Description

一种集群机器人协同定位系统及方法

技术领域

本发明涉及机器人定位技术领域，具体地，涉及一种集群机器人协同定位系统。

背景技术

随着同时定位与建图技术的发展，因激光雷达定位精度高、灵活多变等优点，被广泛的用于移动机器人领域，而面对愈发复杂的任务，单一机器人效率低，任务量小，不能满足实际需求，机器人逐步呈现集群化发展趋势。

多线激光雷达能够同时发射接收多束激光簇，识别物体的高度并获取周围环境的3D扫描图，通过实时得到的全局地图与高精度地图中的特征物进行比对，相比较单线激光雷达仅可匹配地图中的特征点。多线激光雷达定位精度更高，一直是高精度移动机器人的首选，但因其高昂的成本，始终制约其全面应用于集群机器人。

因此，如何低成本地提高集群机器人的整体定位精度成为问题。

发明内容

针对上述问题，本公开提供了一种集群机器人协同定位系统及方法，以解决集群机器人使用SLAM技术导航定位时的高成本问题。

第一方面，本公开实施例提供了一种集群机器人协同定位系统，包括：

主机器人，用于构建环境地图及导航定位；

与所述主机器人通信连接的从机器人，用于基于所述主机器人构建的地图以及所述主机器人进行导航定位；

机器人控制模块，用于处理主机器人和从机器人之间的定位数据和通信数据，完成由主机器人和从机器人构建的集群机器人之间的协同操作；其中，

所述主机器人与所述从机器人之间的相对位置可实时结算，所述从机器人基于所述主机器人构建的地图实现低精度导航定位，所述从机器人通过所述主机器人的高精度位置进行定位修正。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，主机器人通过配备的多线激光雷达扫描环境信息构建环境地图，所构建环境地图通过通讯模块广播发送至其余主机器人及从机器人；

导航过程中利用多线激光雷达扫描环境信息进行地图匹配，实现自身定位。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，从机器人通过通讯模块接收主机器人所构建的地图；

导航过程中从机器人基于主机器人所构建的环境地图利用单线激光雷达扫描环境信息进行匹配，实现粗定位。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，主机器人与从机器人相对位置通过解算获取；

所述主机器人定位模块设置有多线激光雷达、参照物本体以及根据需要设置的参照物识别模块；

所述从机器人定位模块设置有单线激光雷达以及根据需要设置的参照物识别模块；

所述工作环境中根据参照物地图类型布置相应固定参照物；

主机器人构建环境地图过程中，利用参照物识别模块识别与定位环境中的固定参照物，同步构建参照物地图，在导航过程中作为移动式参照物，通过通讯模块实时广播自身位置；

从机器人通过通讯模块接收移动参照物的位置，通过参照物识别模块识别并获取周围参照物的相对距离，通过控制模块存储并实时更新参照物全局地图，并将识别到的参照物间的相对关系与参照物地图匹配，确定参照物的ID。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，工作环境视参照物地图类型在机器人高精度定位需求区域附近布置一个或多个参照物；

根据本公开实施例的一种具体实现方式，主机器人所搭载多线雷达数据通过通讯模块发送至附近从机器人，以减少从机器人障碍物识别盲区。

第二方面，本公开实施例提供了

一种集群机器人协同定位方法，包括以下步骤：

主机器人通过多线激光雷达扫描环境，构建环境地图的同时构建参照物地图，依据主机所构建环境地图的全局坐标系，通过获取环境中各个固定参照物的相对位置信息，完成参照物地图的构建；

完成地图构建的主机器人将环境地图发送至其余主机器人及从机器人，其余主机器人接收并存储地图，用于后续导航定位；

将参照物地图发送至从机器人，以便于所述从机器人基于所述参照物地图进行位姿修正；

主机器人利用本体多线激光雷达扫描环境匹配地图，进行导航定位，获取初始位姿后，通过通讯模块开始实时广播机器人本体所搭载参照物坐标；

从机器人基于主机器人多线激光雷达所构建的环境地图，利用单线激光雷达环境扫描数据匹配地图实现粗定位；

从机器人基于主机器人位姿进行修正，当从机器人单线激光雷达当前帧识别参照物数量达到3个及以上，通过三边定位计算当前位姿，实现位姿修正。

从机器人通过融合主机器人多线雷达数据进行避障，弥补单线激光雷达扫描障碍物劣势。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述环境地图包括但不仅限于点云概率地图、语义地图、拓扑地图、特征点地图；所述参照物地图类型包括但不仅限于UWB、靶标、二维码。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述参照物仅需配置于高精度定位区域附近，从机器人可通过粗定位全局位姿判定是否到达高精度定位区域附近以及是否启动位姿修正；

随着工作环境面积增大，主机器人数量较多时，从机器人未处于高精度定位区域时，同样可以通过识别主机器人移动式参照物完成位姿修正。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述避障在于从机器人可共享主机器人雷达数据，当从机器人处于主机器人激光雷达扫描范围内，接收主机器人扫描环境数据，通过融合多线雷达数据，提高障碍物识别能力。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述避障在于从机器人可共享主机器人雷达数据，当从机器人处于主机器人激光雷达扫描范围内，接收主机器人扫描环境数据，通过融合多线雷达数据，提高障碍物识别能力。

借助于上述系统及方法，本发明通过少量的高精度激光雷达及少量的参照物，提供普通激光雷达同样高精度的定位，有效降低自然导航机器人在集群机器人定位时的高成本问题，同时通过局部共享高精度雷达数据，提高普通雷达识别障碍物的能力；

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例提供的一种集群机器人协同定位系统的系统组成图；

图2为本公开实施例提供的实现协同定位的第一种情况示意图；

图3为本公开实施例提供的实现协同定位的第二种情况示意图；

图4为本公开实施例提供的一种集群机器人协同定位方法流程示意图；

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本公开实施例提供了一种集群机器人协同定位系统，包括：主机器人，用于构建环境地图及导航定位；与所述主机器人通信连接的从机器人，用于基于所述主机器人构建的地图以及所述主机器人进行导航定位；机器人控制模块，用于处理主机器人和从机器人之间的定位数据和通信数据，完成由主机器人和从机器人构建的集群机器人之间的协同操作；其中，所述主机器人与所述从机器人之间的相对位置可实时结算，所述从机器人基于所述主机器人构建的环境地图实现低精度导航定位，所述从机器人通过所述主机器人的高精度位置进行定位修正。

如图1所示的一种集群机器人协同定位系统，包括三个主机器人和十个从机器人构成，主机器人与从机器人包括机器人本体，均配备定位模块、通讯模块、控制模块。

其中主机器人的主定位模块为多线激光雷达，负责获取环境信息构建环境地图及导航定位；从机器人的主定位模块为单线激光雷达，负责导航定位；所有机器人通过通讯模块接入同一路由器，实现彼此间通讯；控制模块负责处理环境探测模块数据与通讯数据，完成主机器人地图构建、主从机器人导航定位以及机器人群间相互通信。

本实施例中，选用靶标参照物用于解算主机器人与从机器人相对位置，所构建环境地图类型为特征地图，所构建参照物地图类型为靶标地图。

参考图2，主机器人作为移动式参照物，本体须安装靶标柱③，靶标通过激光雷达便可识别，因此激光雷达可同样作为参照物识别模块；工作环境中高精度定位需求区域须布置1-2个固定靶标柱①；从机器人定位模块单线雷达同样作为参照物识别模块，无需增设其他模块。

主机器人群中一台机器人利用本体安装的多线激光雷达④通过扫描环境信息构建特征地图的同时，需要获取环境中固定靶标柱的绝对位置，同步完成特征地图与靶标地图的构建；

特征地图构建完成后通过通讯模块广播发送至其余主机器人及从机器人。

靶标地图构建完成后通过通讯模块广播发送至从机器人；

导航过程中，主机器人基于环境地图利用本体多线激光雷达扫换环境数据进行匹配，完成自身的高精度定位，并将本体靶标位姿实时广播发送至从机器人。

从机器人通过通讯模块接收特征地图和靶标地图，导航过程中基于多线雷达构建的特征地图利用本体单线激光雷达②扫描环境数据进行匹配，完成自身的粗定位；

从机器人需同步接收主机器人移动参照物的位姿信息，实时维护全局参照物地图。

从机器人导航进入高精度定位区域后，可启动位姿修正，通过识别周围靶标柱获取距离信息，当周围靶标柱识别数量满足3个及以上，通过三边定位实现从机器人位姿修正；

结合图3，需要说明的是，从机器人未处于高精度定位区域，当周围主机器人数量满足3个及以上，也可通过识别匹配周围主机器人所携带的靶标柱进行位姿修正。

本公开实施例还提供了一种集群机器人协同定位方法，包括以下步骤：

主机器人通过多线激光雷达扫描环境，构建环境地图的同时构建参照物地图，依据主机所构建环境地图的全局坐标系，通过获取环境中各个固定参照物的相对位置信息，完成参照物地图的构建；完成地图构建的主机器人将环境地图发送至其余主机器人及从机器人，其余主机器人接收并存储地图，用于后续导航定位；将参照物地图发送至从机器人，以便于所述从机器人基于所述参照物地图进行位姿修正；主机器人利用本体多线激光雷达扫描环境匹配地图，进行导航定位，获取初始位姿后，通过通讯模块开始实时广播机器人本体所搭载参照物坐标；从机器人基于主机器人多线激光雷达所构建的环境地图，利用单线激光雷达环境扫描数据匹配地图实现粗定位；从机器人基于主机器人位姿进行修正，当从机器人单线激光雷达当前帧识别参照物数量达到3个及以上，通过三边定位计算当前位姿，实现位姿修正。

作为一种具体实施方式，结合图4，以靶标参照物为例，本公开集群机器人协同定位方法的步骤如下：

第一步，构建地图，机器人群投入工作环境首次执行任务前，须选择一台主机器人作为建图机器人，通过多线激光雷达扫描环境构建特征地图，

构建特征地图的同时，主机器人通过分析激光雷达环境扫描帧中靶标柱的反射强度以及靶标柱物理参数，计算靶标柱与主机器人激光雷达局部坐标系下的绝对位置坐标，结合主机器人当前全局位姿，转换为全局坐标系下靶标柱位置坐标，完成靶标地图构建。

第二步，分享地图，建图机器人依次广播环境特征地图数据及靶标地图中固定靶标的数量及对应坐标。其余主机器人和从机器人接收广播信息，通过判断地图类型，执行相应的解析及存储动作。

其余主机器人接收环境特征地图，从机器人接收全部地图信息。

第三步，主机器人导航定位，通过本体多线激光雷达扫描当前帧与地图进行匹配计算当前自身位姿，实现高精度定位。

主机器人启动，获取初始位姿后，将本体配置的靶标ID和位置坐标打包，通过通讯模块以固定频率广播本体配置移动靶标的相关信息。

第四步，从机器人导航定位，基于主机器人多线雷达所构建的特征地图，经过处理后利用单线激光雷达获取环境当前帧，通过匹配地图计算实时位姿，完成从机器人粗定位；

第五步，从机器人基于主机器人位姿进行修正，根据靶标柱特殊的反光强度，提取从机器人激光雷达当前帧中的靶标柱，与当前靶标参照物地图进行匹配，根据所匹配靶标柱的坐标信息，通过三边定位计算从机器人当前位姿。三边定位是本领域常见的技术，此处不作具体介绍。

本实施例中以靶标参照物为例讲述了集群机器人协同定位的方法，根据参照物的类型，利用相应的交互传感器方法，获取从机器人与主机器人移动参照物和环境固定参照物的距离，即可利用三边定位完成从机器人位姿修正。若使用UWB参照物，仅需更改参照物地图的构建方式，在所构建环境地图的全局坐标系下测量环境中UWB基站的位置坐标，完成参照物地图的构建。从机器人本体配置UWB标签，通过发送与接收脉冲的时间解算与UWB基站参照物的距离，进而修正自身位姿。

第六步，从机器人可共享主机器人雷达数据，导航过程中，从机器人根据单线雷达扫描环境获取自身粗定位位姿后，同时接收主机器人和其余从机器人广播的自身位姿信息，通过对比从机器人与主机器人的位姿，判断两者间是否存在其他机器人。

若从机器人进入主机器人扫描范围，则发送获取对应主机器人环境扫描数据命令。主机器人收到环境扫描数据获取指令后，拷贝多线雷达当前帧环境扫描数据通过通讯模块广播。

从机器人接收到主机器人环境扫描数据后，与自身环境扫描数据融合，更新局部地图，根据更新后的局部地图实时更改任务路径，导航与避障方法是本领域常见的技术，此处不再多做介绍。

当从机器人脱离主机器人扫描范围，则发送停止获取对应主机器人环境扫描数据命令，主机器人随之停止广播，减少通讯模块资源消耗。

在本公开实施例中，主机器人所结构为圆盘，靶标柱安装在主机器人中心顶部。

当然，实施本公开提供的协同定位系统中。主机器人结构及参照物还可有其他方式组成，本公开对此不进行限制。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种集群机器人协同定位系统，其特征在于，包括：

主机器人，用于获取环境信息构建环境地图及导航定位；

与所述主机器人通信连接的从机器人，用于基于所述主机器人构建的地图以及所述主机器人进行导航定位；

机器人控制模块，用于处理主机器人和从机器人之间的定位数据和通信数据，完成由主机器人和从机器人构建的集群机器人之间的协同操作；其中，

所述主机器人与所述从机器人之间的相对位置可实时结算，所述从机器人基于所述主机器人构建的地图实现低精度导航定位，所述从机器人通过所述主机器人的高精度位置进行定位修正；其中，在所述从机器人导航进入高精度定位区域后，启动位姿修正，通过识别周围靶标柱获取距离信息，当周围靶标柱识别数量满足3个及以上时，通过三边定位实现从机器人位姿修正；若所述从机器人未处于所述高精度定位区域，当周围的所述主机器人数量满足3个及以上时，通过识别匹配周围的所述主机器人所携带的靶标柱进行位姿修正；当所述从机器人处于所述主机器人激光雷达扫描范围内，所述主机器人所搭载多线雷达数据通过通讯模块发送至附近从机器人，所述从机器人接收所述主机器人扫描环境数据，通过融合多线雷达数据，以减少所述从机器人障碍物识别盲区；

主机器人通过配备的多线激光雷达扫描环境信息构建环境地图，所构建环境地图通过通讯模块广播发送至其余主机器人及从机器人；

导航过程中利用多线激光雷达扫描环境信息进行地图匹配，实现自身定位；

从机器人通过通讯模块接收主机器人所构建的地图；

导航过程中从机器人基于主机器人所构建的环境地图利用单线激光雷达扫描环境信息进行匹配，实现粗定位。

2.根据权利要求1所述的协同定位系统，其特征在于：

主机器人与从机器人相对位置通过解算获取；

所述主机器人定位模块设置有多线激光雷达、参照物本体以及根据需要设置的参照物识别模块；

所述从机器人定位模块设置有单线激光雷达以及根据需要设置的参照物识别模块；

工作环境中根据参照物地图类型布置相应固定参照物；

主机器人构建环境地图过程中，利用参照物识别模块识别与定位环境中的固定参照物，同步构建参照物地图，在导航过程中作为移动式参照物，通过通讯模块实时广播自身位置；

从机器人通过通讯模块接收移动参照物的位置，通过参照物识别模块识别并获取周围参照物的相对距离，通过控制模块存储并实时更新参照物全局地图，并将识别到的参照物间的相对关系与参照物地图匹配，确定参照物的ID。

3.根据权利要求1或2所述的协同定位系统，其特征在于：

工作环境视参照物地图类型在机器人高精度定位需求区域附近布置一个或多个参照物。

4.一种集群机器人协同定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

主机器人通过多线激光雷达扫描环境，获取环境信息构建环境地图的同时构建参照物地图，依据主机所构建环境地图的全局坐标系，通过获取环境中各个固定参照物的相对位置信息，完成参照物地图的构建；

完成地图构建的主机器人将环境地图发送至其余主机器人及从机器人，其余主机器人接收并存储地图，用于后续导航定位；

将参照物地图发送至从机器人，以便于所述从机器人基于所述参照物地图进行位姿修正；

主机器人利用本体多线激光雷达扫描环境匹配环境地图，进行导航定位，获取初始位姿后，通过通讯模块开始实时广播机器人本体所搭载参照物坐标；

从机器人基于主机器人多线激光雷达所构建的环境地图，利用单线激光雷达环境扫描数据匹配地图实现粗定位；从机器人基于主机器人位姿进行修正，其中，在所述从机器人导航进入高精度定位区域后，启动位姿修正，通过识别周围靶标柱获取距离信息，当周围靶标柱识别数量满足3个及以上时，通过三边定位实现从机器人位姿修正；若所述从机器人未处于所述高精度定位区域，当周围的所述主机器人数量满足3个及以上时，通过识别匹配周围的所述主机器人所携带的靶标柱进行位姿修正；当所述从机器人处于所述主机器人激光雷达扫描范围内，所述主机器人所搭载多线雷达数据通过通讯模块发送至附近从机器人，所述从机器人接收所述主机器人扫描环境数据，通过融合多线雷达数据，以减少所述从机器人障碍物识别盲区；

从机器人通过融合主机器人多线雷达数据进行避障，弥补单线激光雷达扫描障碍物的劣势。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述环境地图包括但不仅限于点云概率地图、语义地图、拓扑地图、特征点地图；所述参照物地图类型包括但不仅限于UWB、靶标、二维码。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述参照物仅需配置于高精度定位区域附近，从机器人可通过粗定位全局位姿判定是否到达高精度定位区域附近以及是否启动位姿修正；

随着工作环境面积增大，主机器人数量较多时，从机器人未处于高精度定位区域时，同样通过识别主机器人移动式参照物完成位姿修正。