CN114442054A - 一种移动机器人的传感器与底盘联合标定系统及方法 - Google Patents

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焦健
刘会良
代津
王隆潭
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    • G—PHYSICS
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    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/80—Analysis of captured images to determine intrinsic or extrinsic camera parameters, i.e. camera calibration

Abstract

本发明公开了一种移动机器人的传感器与底盘联合标定系统及方法，包括底盘和传感器机构，传感器机构包括至少一个能够同步建图与定位的传感器；标定系统的标定参数包括传感器外参、轮径、轮间距、舵轮零位和里程计参数等；本发明公开的移动机器人的传感器与底盘联合标定方法，可自动对移动机器人下发移动指令并根据实际移动向量进行标定直至参数收敛成功，即可实现标定；本发明提供的一种移动机器人的传感器与底盘联合标定系统及方法中移动机器人参数标定无需复杂的标定件或设备，并且一次操作，计算输出传感器安装位姿和底盘运动参数全套参数，节省维护的设备成本和时间成本；本发明标定精确度高，操作成本低，能够应用于各种场合，适宜推广。

Description

一种移动机器人的传感器与底盘联合标定系统及方法
技术领域
本发明涉及移动机器人感知与标定技术，具体是一种移动机器人的传感器与底盘联合标定系统及方法。
背景技术
近年来，移动机器人技术在多个应用领域蓬勃发展，包括工业物流、电商仓储、自动驾驶等。其中，“参数标定”是移动机器人的关键技术。通过一系列辅助设备及方法，获取精确的传感器相对于底盘的安装参数以及执行机构的控制参数，使得移动机器人可以平稳运行，达到最佳精度。然而，目前的“参数标定”技术架构有如下局限：依赖精密的标定件或运动捕捉仪器，若移动机器人由于长途运输或长时间工作中的振动、疲劳、碰撞等导致变形，则需要重新标定传感器和底盘参数，此时需要将标定件或仪器同步运往应用现场，成本高。且该类标定件或仪器，要求机械加工精度高，装配误差小，制造成本高；传统“参数标定”方法，一次标定一个传感器的参数，若想将多传感器如雷达、相机，以及驱动器参数全部标定完成，花费时间长，尤其是在多移动机器人系统中，时间成本高。目前的移动机器人参数标定相关专利如下。公开号为CN105758426A的中国专利中公开了一种移动机器人的多传感器的联合标定方法，其中移动机器人包括2D、3D雷达和相机。公开号为CN112097792A中国专利中公开了一种阿克曼模型移动机器人里程计标定方法。公开号为CN106289327B的中国专利中公开了一种差分移动机器人里程计标定方法。公开号为CN106289327B的中国专利中公开了一种双轮差速移动机器人里程计标定的轮间距修正方法。综合上面公开的材料来看，目前的移动机器人标定方法有以下局限：一是依赖外部高精度标定件或运动捕捉系统，在工作现场参数标定成本高；二是只能标定传感器参数，或只能根据精确的传感器参数来标定底盘参数，时间成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种移动机器人的传感器与底盘联合标定系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种移动机器人的传感器与底盘联合标定系统，所述联合标定系统包括底盘和传感器机构，所述传感器机构包括至少一个能够同步建图与定位的传感器；所述标定系统的标定参数包括传感器外参、轮径、轮间距、舵轮零位和里程计参数。
作为本发明的一种优选技术方案，上述底盘为阿克曼模型底盘、单舵轮型底盘、差速轮型底盘、双舵轮型底盘或者全向轮型底盘中的一种。
作为本发明的一种优选技术方案，上述传感器为2D雷达、3D雷达、深度相机或者相机中的一种。
一种移动机器人的传感器与底盘联合标定方法，所述标定方法包括以下步骤：
步骤一、选取水平的地面；
步骤二、标定传感器外参：选定原点，坐标为U0(x0，y0，θ0)，其中x0为坐标系中横坐标，y0为坐标系中纵坐标，θ0为航向角度坐标；移动机器人到第一个点记录为第一个目标点，此点坐标为U1(x1，y1，θ1)；将移动机器人手动移动到第二个点，记录为第二个目标点，此点坐标为U2(x2，y2，θ2)；原地旋转移动机器人180°，记录为第三个目标点，此点坐标为U3(x3，y3，θ3)；
步骤三、标定底盘控制参数和里程计参数：手动移动机器人在地面缓慢绕一圈；将移动机器人停在围出的一圈的内部区域的中央，给机器人发送移动指令
Figure BDA0003426727080000021
移动结束后通过SLAM计算实际移动向量
Figure BDA0003426727080000022
比较移动指令
Figure BDA0003426727080000023
和实际移动向量
Figure BDA0003426727080000031
直至对移动机器人进行标定矩阵收敛成功；标定控制参数标定完成后，再将移动机器人停在围出的一圈的内部区域的中央，给机器人发送移动指令
Figure BDA0003426727080000032
移动结束后通过SLAM计算实际移动向量
Figure BDA0003426727080000033
比较里程计反馈
Figure BDA0003426727080000034
和实际移动向量
Figure BDA0003426727080000035
直至对移动机器人进行标定矩阵收敛成功。
作为本发明的一种优选技术方案，上述步骤一中的水平地面为矩形区域，矩形区域的长度大于等于8m，矩形区域的宽度大于等于3m。
作为本发明的一种优选技术方案，上述步骤二中第一个目标点U1(x1，y1，θ1)，其中x1为坐标系中横坐标，y1为坐标系中纵坐标，θ1为航向角度坐标；第二个目标点坐标为U2(x2，y2，θ2)，其中x2为坐标系中横坐标，y2为坐标系中纵坐标，θ2为航向角度坐标；接着再将车体原地旋转180°，第三个目标点为U3(x3，y3，θ3)，其中x3为坐标系中横坐标，y3为坐标系中纵坐标，θ3为航向角度坐标；移动机器人外参为
Figure BDA0003426727080000036
其中
Figure BDA0003426727080000037
Figure BDA0003426727080000038
uiθ＝θ0-(arctan((y2-y1)/(x2-x1))-θ1)。
作为本发明的一种优选技术方案，上述步骤二中以矩形区域较长的一边的一个端点为原点，此点坐标为U0；移动机器人沿矩形区域较长的一边移动一段大于等于5m距离，记录为第一个目标点，此点坐标为U1；将移动机器人手动移动到步骤二所述的较长的一边的另一个端点，记录为第二个目标点，此点坐标为U2。
作为本发明的一种优选技术方案，上述步骤二中U1(x1，y1，θ1)、U2(x2，y2，θ2)及U3(x3，y3，θ3)可以选取一个瞬时的点坐标，也可以选取一组连续的点集，求得其均值获得的坐标点。
作为本发明的一种优选技术方案，上述步骤三中标定底盘控制参数具体如下：给移动机器人发送移动指令，记为
Figure BDA0003426727080000041
实际移动向量为
Figure BDA0003426727080000042
这样我们可以获得标定矩阵为
Figure BDA0003426727080000043
使得u* i＝X*ui；
对标定矩阵X重新组合，得到
Figure BDA0003426727080000044
所以u* i＝X*ui可以改为：
Figure BDA0003426727080000045
通过下面公式解算标定矩阵X的近似解，获取标定数值；
X＝(ui Tui)-1ui Tui *
当矩阵X中xij都为
Figure BDA0003426727080000049
则收敛成功；否则回重复标定。
作为本发明的一种优选技术方案，上述步骤三中里程计参数标定方法具体如下：给移动机器人发送移动指令，记为
Figure BDA0003426727080000046
获取到的里程计反馈数据为
Figure BDA0003426727080000047
这样我们可以获得标定矩阵为
Figure BDA0003426727080000048
ui＝X*F；
对上述的X重新组合，得到
Figure BDA0003426727080000051
上述公式可以改为：
Figure BDA0003426727080000052
上述公式为每一帧提供的方程组，可以通过解算标定矩阵X的近似解获取标定数值，计算公式如下：
X＝(FTF)-1FTu*，根据新的标定数据，验证标定结果，其中X矩阵中xij都为
Figure BDA0003426727080000053
则收敛成功；否则返回重复标定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过此方法，移动机器人参数标定无需复杂的标定件或设备，并且一次操作，计算输出传感器安装位姿和底盘运动参数全套参数，节省维护的设备成本和时间成本。本发明标定精确度高，操作成本低，能够应用于各种场合，适宜推广。
附图说明
附图1是矩形区域示意图；
附图2是移动机器人沿着矩形区域较长的边移动示意图；
附图3是移动机器人原地旋转180°示意图；
附图4是移动机器人沿区域边界行驶一圈示意图；
附图5是移动机器人圈出的区域内自主移动路径示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动成果前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图1-5，并结合实施例来详细说明本申请。一种移动机器人的传感器与底盘联合标定系统，所述联合标定系统包括底盘和传感器机构，所述底盘为阿克曼模型底盘，
在本发明的另一个实施例中底盘为单舵轮型底盘；
在本发明的另一个实施例中底盘为差速轮型底盘；
在本发明的另一个实施例中底盘为双舵轮型底盘；
所述传感器机构包括至少一个能够同步建图与定位的传感器；所述传感器为2D雷达；
在本发明的另一个实施例中传感器为3D雷达；
在本发明的另一个实施例中传感器为深度相机；
在本发明的另一个实施例中传感器为相机；
所述标定系统的标定参数包括轮径、轮间距、舵轮零位和里程计参数。
本实施例还提供了一种移动机器人的传感器与底盘联合标定方法，所述标定方法包括以下步骤：
步骤一、选取水平的地面，如图1所示，本实施例选取的水平地面为矩形区域，矩形区域的长度大于等于8m，矩形区域的宽度大于等于3m；
在地面上选定一点为原点，此点坐标记为U0(x0，y0，θ0)，其中x0为坐标系中横坐标，y0为坐标系中纵坐标，θ0为航向角度坐标；
步骤二、标定传感器外参:在地面上选定一点为原点，此点坐标记为U0(x0，y0，θ0)，其中x0为坐标系中横坐标，y0为坐标系中纵坐标，θ0为航向角度坐标；移动机器人沿矩形区域较长的一边移动一段大于等于5m距离，记录为第一个目标点，此点坐标为U1；将移动机器人手动移动到步骤二所述的较长的一边的另一个端点，记录为第二个目标点，此点坐标为U2。接着再将车体原地旋转180°，采集车体的定位点U3(x3，y3，θ3)。基于采集的三组点坐标，即可计算出激光雷达相对于车体坐标系的移动机器人外参
Figure BDA0003426727080000071
Figure BDA0003426727080000072
其中
Figure BDA0003426727080000073
Figure BDA0003426727080000074
uiθ＝θ0-(arctan((y2-y1)/(x2-x1))-θ1)。上述的点A、点B及点C可以是一个瞬时的点坐标，也可以是分别采集一组连续的点集，求得其均值获得的坐标点，以降低激光雷达定位误差对外参标定误差的影响。
步骤三、标定底盘控制参数：手动移动机器人在地面缓慢绕一圈；将移动机器人停在围出的一圈的内部区域的中央，给机器人发送移动指令
Figure BDA0003426727080000075
移动结束后通过SLAM计算实际移动向量
Figure BDA0003426727080000076
这样我们可以获得标定矩阵为
Figure BDA0003426727080000077
使得u* i＝X*ui；对标定矩阵X重新组合，得到
Figure BDA0003426727080000078
所以u* i＝X*ui可以改为：
Figure BDA0003426727080000079
通过下面公式解算标定矩阵X的近似解，获取标定数值；
X＝(ui Tui)-1ui Tui *
当矩阵X中xij都为
Figure BDA00034267270800000710
则收敛成功；否则回重复标定。
如图5所示，里程计参数标定方法具体如下：给移动机器人发送移动指令，记为
Figure BDA0003426727080000081
获取到的里程计反馈数据为
Figure BDA0003426727080000082
这样我们可以获得标定矩阵为
Figure BDA0003426727080000083
ui＝X*F；
对上述的X重新组合，得到
Figure BDA0003426727080000084
上述公式可以改为：
Figure BDA0003426727080000085
上述公式为每一帧提供的方程组，可以通过解算标定矩阵X的近似解获取标定数值，计算公式如下：
X＝(FTF)-1FTui *，根据新的标定数据，验证标定结果，其中X矩阵中xij都为
Figure BDA0003426727080000086
则收敛成功；否则返回重复标定。
以上的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种移动机器人的传感器与底盘联合标定系统，其特征在于，所述联合标定系统包括底盘和传感器机构，所述传感器机构包括至少一个能够同步建图与定位的传感器；所述标定系统的标定参数包括传感器外参、轮径、轮间距、舵轮零位和里程计参数。
2.根据权利要求1所述的一种移动机器人的传感器与底盘联合标定系统，其特征在于，所述底盘为阿克曼模型底盘、单舵轮型底盘、差速轮型底盘、双舵轮型底盘或者全向轮型底盘中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种移动机器人的传感器与底盘联合标定系统，其特征在于，所述传感器为2D雷达、3D雷达、深度相机或者相机中的一种。
4.一种移动机器人的传感器与底盘联合标定方法，其特征在于，所述标定方法包括以下步骤：
步骤一、选取水平的地面；
步骤二、标定传感器外参：选定原点，坐标为U0(x0，y0，θ0)，其中x0为坐标系中横坐标，y0为坐标系中纵坐标，θ0为航向角度坐标；移动机器人到第一个点记录为第一个目标点，此点坐标为U1(x1，y1，θ1)；将移动机器人手动移动到第二个点，记录为第二个目标点，此点坐标为U2(x2，y2，θ2)；原地旋转移动机器人180°，记录为第三个目标点，此点坐标为U3(x3，y3，θ3)；
步骤三、标定底盘控制参数和里程计参数：手动移动机器人在地面缓慢绕一圈；将移动机器人停在围出的一圈的内部区域的中央，给机器人发送移动指令
Figure FDA0003426727070000011
移动结束后通过SLAM计算实际移动向量
Figure FDA0003426727070000012
比较移动指令
Figure FDA0003426727070000013
和实际移动向量
Figure FDA0003426727070000021
直至对移动机器人进行标定矩阵收敛成功；标定控制参数标定完成后，再将移动机器人停在围出的一圈的内部区域的中央，给机器人发送移动指令
Figure FDA0003426727070000022
移动结束后通过SLAM计算实际移动向量
Figure FDA0003426727070000023
比较里程计反馈
Figure FDA0003426727070000024
和实际移动向量
Figure FDA0003426727070000025
直至对移动机器人进行标定矩阵收敛成功。
5.根据权利要求4所述的一种移动机器人的传感器与底盘联合标定方法，其特征在于，所述步骤一中的水平地面为矩形区域，矩形区域的长度大于等于8m，矩形区域的宽度大于等于3m。
6.根据权利要求4所述的一种移动机器人的传感器与底盘联合标定方法，其特征在于，所述步骤二中第一个目标点U1(x1，y1，θ1)，其中x1为坐标系中横坐标，y1为坐标系中纵坐标，θ1为航向角度坐标；第二个目标点坐标为U2(x2，y2，θ2)，其中x2为坐标系中横坐标，y2为坐标系中纵坐标，θ2为航向角度坐标；接着再将车体原地旋转180°，第三个目标点为U3(x3，y3，θ3)，其中x3为坐标系中横坐标，y3为坐标系中纵坐标，θ3为航向角度坐标；移动机器人外参为
Figure FDA0003426727070000026
其中
Figure FDA0003426727070000027
Figure FDA0003426727070000028
uiθ＝θ0-(arctan((y2-y1)/(x2-x1))-θ1)。
7.根据权利要求4所述的一种移动机器人的传感器与底盘联合标定方法，其特征在于，所述步骤二中以矩形区域较长的一边的一个端点为原点，此点坐标为U0；移动机器人沿矩形区域较长的一边移动一段大于等于5m距离，记录为第一个目标点，此点坐标为U1；将移动机器人手动移动到步骤二所述的较长的一边的另一个端点，记录为第二个目标点，此点坐标为U2。
8.根据权利要求4所述的一种移动机器人的传感器与底盘联合标定方法，其特征在于，所述步骤二中U1(x1，y1，θ1)、U2(x2，y2，θ2)及U3(x3，y3，θ3)可以选取一个瞬时的点坐标，也可以选取一组连续的点集，求得其均值获得的坐标点。
9.根据权利要求4所述的一种移动机器人的传感器与底盘联合标定方法，其特征在于，所述步骤三中标定底盘控制参数具体如下：给移动机器人发送移动指令，记为
Figure FDA0003426727070000031
实际移动向量为
Figure FDA0003426727070000032
这样我们可以获得标定矩阵为
Figure FDA0003426727070000033
使得u* i＝X*ui；
对标定矩阵X重新组合，得到
Figure FDA0003426727070000034
所以u* i＝X*ui可以改为：
Figure FDA0003426727070000035
通过下面公式解算标定矩阵X的近似解，获取标定数值；
X＝(ui Tui)-1ui Tui *
当矩阵X中xij都为
Figure FDA0003426727070000036
则收敛成功；否则回重复标定。
10.根据权利要求4所述的一种移动机器人的传感器与底盘联合标定方法，其特征在于，所述步骤三中里程计参数标定方法具体如下：给移动机器人发送移动指令，记为
Figure FDA0003426727070000041
获取到的里程计反馈数据为
Figure FDA0003426727070000042
这样我们可以获得标定矩阵为
Figure FDA0003426727070000043
ui＝X*F；
对上述的X重新组合，得到
Figure FDA0003426727070000044
上述公式可以改为：
Figure FDA0003426727070000045
上述公式为每一帧提供的方程组，可以通过解算标定矩阵X的近似解获取标定数值，计算公式如下：
X＝(FTF)-1FTu*，根据新的标定数据，验证标定结果，其中X矩阵中xij都为
Figure FDA0003426727070000046
则收敛成功；否则返回重复标定。
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