CN117250623A - 激光雷达与互补定位融合的定位方法、系统及移动机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光雷达与互补定位融合的定位方法、系统及移动机器人，属于定位标定技术领域；利用RTK可以在室外卫星信号良好的情况下获取稳定可靠的定位信息，但在高楼林立及树木茂密的环境经常会无法提供持续稳定的定位信息，将其作为互补定位。激光雷达建图定位的方式同样可以提供稳定的定位信息，但是可能存在相似环境定位跳动等问题，在互补定位信号良好，优先使用互补定位信息，并使用互补定位与建图坐标系方向偏差角来计算互补定位对应在地图中的坐标；在互补定位信号不好时，使用激光雷达定位的上次有效定位坐标来实现重定位，将激光雷达定位和RTK定位进行融合，实现简单可靠的定位。

Description

激光雷达与互补定位融合的定位方法、系统及移动机器人
技术领域
本发明涉及一种激光雷达与互补定位融合的定位方法、系统及移动机器人，属于定位标定技术领域。
背景技术
单一的激光雷达建图定位，是通过激光雷达提前扫描作业区域地形，构建SLAM模型（扫描出作业区域的三维点云模型）。移动机器人自主作业工程中，通过车载激光雷达实时扫描周围环境，将车辆周围环静的实时三维点云模型与之前提前扫描好的模型进行特征匹配，从而确认移动机器人在作业区域中的所在位置。此方法的缺点在于，如果自主作业区域内环境重复率大，有布局与摆设非常接近的几块区域（例如完全相同的几栋楼，摆放非常整齐的厂区），这样的作业环境容易匹配到类似特征，造成定位错误。
例如，中国专利公开号CN112180396A，公开了一种激光雷达定位及地图创建方法，应用于无人机动平台，基于里程计和激光雷达匹配的联合优化定位，获取全路径后验状态，剔除错误激光雷达匹配信息后进行再估计，从而适应颠簸的环境。通过这样的技术方案，在对于无人机动平台无需额外添置设备的前提下在经过颠簸环境时能快速准确的完成定位，避免了由于颠簸导致的误差。
但是，依然存在如果自主作业区域内环境重复率大，有布局与摆设非常接近的几块区域，这样的作业环境容易匹配到类似特征，造成定位错误的问题。
因此，需要研究一种激光雷达与互补定位融合的定位方法、系统及移动机器人，实时更新分配策略，对电网台区用电负荷进行分配。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种激光雷达与互补定位融合的定位方法、系统及移动机器人，实现简单可靠的定位。
本发明所述的一种激光雷达与互补定位融合的定位方法，包括：
步骤S1、启动激光雷达及互补定位算法；
步骤S2、互补定位检测：在互补定位信号良好时，使用互补定位信息；在互补定位信号无法提供厘米级定位数据时，则执行步骤S3；
步骤S3、使用激光雷达定位信息：在互补定位信号不好时，使用激光雷达定位信息，根据偏差角将其转到互补定位坐标系下，提供厘米级定位数据。
在室外互补定位信号良好的情况下获取稳定可靠的定位信息，但在高楼林立及树木茂密的环境经常会无法提供持续稳定的定位信息。此时，采用激光雷达定位的方式同样可以提供稳定的定位信息。两者融合，以实现简单可靠且轻量化的厘米级定位。
优选的，所述步骤S2中使用互补定位信息，是通过互补定位与建图坐标系方向偏差角来计算互补定位对应在地图中的坐标。
通过互补定位与建图坐标系方向偏差角来计算互补定位对应在地图中的坐标，使激光雷达与互补定位融合。
优选的，所述步骤S3具体包括如下步骤：
步骤S301、激光雷达定位检测：通过检测前后两侧激光雷达定位是否有跳动，来判断激光雷达定位是否有效，并时刻保存有效激光雷达定位；当定位失效时，执行步骤S302；
步骤S302、激光雷达重定位：在激光雷达定位发生跳动时，如果互补定位信号良好，优先使用互补定位信息，并使用互补定位与建图坐标系方向偏差角来计算互补定位对应在地图中的坐标；在互补定位信号不好时，使用激光雷达定位的上次有效定位坐标来实现重新定位。
激光雷达建图定位的方式可以提供稳定的定位信息，但是可能存在相似环境定位跳动等问题。在激光雷达定位发生跳动时，如果互补定位信号良好，优先使用互补定位信息，并使用互补定位与建图坐标系方向偏差角来计算互补定位对应在地图中的坐标；在互补定位信号不好时，使用激光雷达定位的上次有效定位坐标来实现重定位，以实现简单可靠的定位。
优选的，所述互补定位与建图坐标系方向偏差角来计算互补定位对应在地图中的坐标，计算方法如下：
P’= R*P
其中， P为互补定位信息，θ为互补定位与建图坐标系方向偏差角；P’为互补定位对应在地图中的坐标，R为互补定位与建图坐标系方向偏差矩阵。
优选的，所述激光雷达定位算法采用正态分布变换算法获取位姿变换。
正态分布变换（NDT）算法是一个匹配算法，可以较好的获取前后两个目标之间的姿态变动关系以及匹配度等信息，故常用于匹配定位，地图构建等，而NDT最经典的应用就是激光点云的匹配，获取位姿变换，也就是旋转平移变化参数[R,t]。
优选的，所述互补定位算法采用与激光雷达定位相互补的技术，例如RTK定位技术，当然互补定位算法也可以采用其他与激光雷达定位相互补的技术，在此不做限定。
优选的，所述地图的建图方法包括：
步骤A1、启动建图系统：启动RTK设备及激光雷达SLAM建图算法，记录启动点RTK坐标 (Xrp,Yrp)及SLAM坐标(Xsp,Yxp)；
步骤A2、建图：操控建图设备，在需要导航的环境中行走，完成导航环境的扫描建图；
步骤A3、存储RTK及SLAM坐标：在建图过程中，自动按时间检测及距离存储RTK及SLAM坐标；
步骤A4、计算RTK与SLAM坐标系方向偏差角；
步骤A5、建图完成，保存地图。
采用RTK及激光雷达实现更加稳定可靠且轻量化的厘米级定位算法，通过以上步骤实现建图及标定。
优选的，所述RTK与SLAM坐标系方向偏差角的计算过程如下：
从步骤A3中存储的任意RTK点(Xrn,Yrn)及SLAM坐标(Xsn,Yxn)，计算各自在以(Xrp,Yrp)及(Xsp,Yxp)为原点坐标系下与X轴的夹角θr、θs，则RTK与SLAM坐标系方向偏差角为θ=θr-θs。
通过RTK与SLAM坐标点，计算坐标系方向偏差角，将激光雷达与互补定位进行融合。
本发明所述的一种用于上述的激光雷达与互补定位融合的定位方法的系统，包括：
启动模块：用于启动激光雷达及互补定位算法；
互补定位检测模块：用于在互补定位信号良好时，优选使用互补定位信息；在互补定位信号无法提供厘米级定位数据时，开启激光雷达定位模块；
激光雷达定位模块：用于在互补定位信号不好时，使用激光雷达定位信息，根据偏差角将其转到互补定位坐标系下，提供厘米级定位数据；
建图模块：用于地图的建图。
本发明所述的应用上述的激光雷达与互补定位融合的定位方法的移动机器人，包括：
RTK定位导航一体机：包含主机和定位、定向两只天线，分别起定位与定向作用，可提供厘米级定位以及定向信息。主机内置嵌入式处理器，根据云端服务器发送过来的下一目标点计算机器人运动方向以及速度，将方向与速度信号通过串口发送至执行模块；
执行模块：接收RTK定位导航一体机发送的运动方向与云顶速度信息，解析信息，将信息转换为移动机器人电机转速与转向的控制信号，输出电机转动指令；
定位基站：与RTK定位导航一体机组成差分网络，提供厘米级高精度定位；
超声波传感器：接入RTK定位导航一体机ADC检测接口，若前方无障碍物，则输出低电平，若检测到障碍物，则输出高电平；
云端服务器：用于转发数据、存储数据，接收操作端发来的作业指令，并将移动机器人位置方向、运动状态、电量、等信息发送给app；
操作端：用于对移动机器人进行操作，绘制自主作业区域与作业路线，给云端服务器发送作业指令。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述的一种激光雷达与互补定位融合的定位方法、系统及移动机器人，利用RTK可以在室外卫星信号良好的情况下获取稳定可靠的定位信息，但在高楼林立及树木茂密的环境经常会无法提供持续稳定的定位信息，将其作为互补定位。激光雷达建图定位的方式同样可以提供稳定的定位信息，但是可能存在相似环境定位跳动等问题，在互补定位信号良好，优先使用互补定位信息，并使用互补定位与建图坐标系方向偏差角来计算互补定位对应在地图中的坐标；在互补定位信号不好时，使用激光雷达定位的上次有效定位坐标来实现重定位，以实现简单可靠的定位。利用激光雷达定位和RTK定位的优势，将激光雷达定位和RTK定位进行融合，实现简单可靠的定位。
附图说明
图1是本发明所述一种激光雷达与互补定位融合的定位方法的流程图；
图2是本发明所述地图的建图方法的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或技术方案，下面将对实施例或技术方案描述作简单地介绍，显而易见地，下面描述仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的实施例。
实施例1
如图1-图2所述，本实施例公开了一种激光雷达与互补定位融合的定位方法，包括：
步骤S1、启动激光雷达及互补定位算法；
步骤S2、互补定位检测：在互补定位信号良好时，优选使用互补定位信息；在互补定位信号无法提供厘米级定位数据时，则执行步骤S3；
步骤S3、使用激光雷达定位信息：在互补定位信号不好时，使用激光雷达定位信息，根据偏差角将其转到互补定位坐标系下，提供厘米级定位数据。
在室外互补定位信号良好的情况下获取稳定可靠的定位信息，但在高楼林立及树木茂密的环境经常会无法提供持续稳定的定位信息。此时，采用激光雷达定位的方式同样可以提供稳定的定位信息。两者融合，以实现简单可靠且轻量化的厘米级定位。
具体的，所述激光雷达定位算法采用正态分布变换算法获取位姿变换。
正态分布变换（NDT）算法是一个匹配算法，可以较好的获取前后两个目标之间的姿态变动关系以及匹配度等信息，故常用于匹配定位，地图构建等，而NDT最经典的应用就是激光点云的匹配，获取位姿变换，也就是旋转平移变化参数[R,t]。
所述互补定位算法采用RTK定位技术，RTK定位原理是运用卫星定位以及定位基站卫星数据，通过差分计算，得到厘米级的卫星定位、定向信息。此方法在云层厚且上方有建筑或树遮挡的情况下容易出现遮挡卫星信号，定位差的情况。
在此，网络RTK由基准站、数据处理中心和数据通信链组成。基准站上应配备双频双码GPS接收机，它能供应精确的伪距观测值，基准站的大地坐标应精确已知，站上应配备数据通信设备和气象仪器。基准站将观测值通过数据通信链与数据处理中心、流动用户进行实时的数据交换，修正误差以获得精确的定位结果。
所述步骤S3具体包括如下步骤：
步骤S301、激光雷达定位检测：通过检测前后两侧激光雷达定位是否有跳动，来判断激光雷达定位是否有效，并时刻保存有效激光雷达定位；当定位失效时，执行步骤S302；
步骤S302、激光雷达重定位：在激光雷达定位发生跳动时，如果互补定位信号良好，优先使用互补定位信息，并使用互补定位与建图坐标系方向偏差角来计算互补定位对应在地图中的坐标；在互补定位信号不好时，使用激光雷达定位的上次有效定位坐标来实现重定位。
激光雷达建图定位的方式可以提供稳定的定位信息，但是可能存在相似环境定位跳动等问题。在激光雷达定位发生跳动时，如果互补定位信号良好，优先使用互补定位信息，并使用互补定位与建图坐标系方向偏差角来计算互补定位对应在地图中的坐标；在互补定位信号不好时，使用激光雷达定位的上次有效定位坐标来实现重定位，以实现简单可靠的定位。
所述步骤S2中使用互补定位信息，是通过互补定位与建图坐标系方向偏差角来计算互补定位对应在地图中的坐标，使激光雷达与互补定位融合。
具体的，所述互补定位与建图坐标系方向偏差角来计算互补定位对应在地图中的坐标，计算方法如下：
P’= R*P
其中， P为互补定位信息，θ为互补定位与建图坐标系方向偏差角，P’为互补定位对应在地图中的坐标，R为互补定位与建图坐标系方向偏差矩阵。
为了实现地图的建图，所述地图的建图方法包括：
步骤A1、启动建图系统：启动RTK设备及激光雷达SLAM建图算法，记录启动点RTK坐标 (Xrp,Yrp)及SLAM坐标(Xsp,Yxp)；
步骤A2、建图：操控建图设备，在需要导航的环境中行走，完成导航环境的扫描建图；
步骤A3、存储RTK及SLAM坐标：在建图过程中，自动按时间检测及距离存储RTK及SLAM坐标；
步骤A4、计算RTK与SLAM坐标系方向偏差角；
步骤A5、建图完成，保存地图。
采用RTK及激光雷达实现更加稳定可靠且轻量化的厘米级定位算法，通过以上步骤实现建图及标定。
所述RTK与SLAM坐标系方向偏差角的计算过程如下：
从步骤A3中存储的任意RTK点(Xrn,Yrn)及SLAM坐标(Xsn,Yxn)，计算各自在以(Xrp,Yrp)及(Xsp,Yxp)为原点坐标系下与X轴的夹角θr、θs，则RTK与SLAM坐标系方向偏差角为θ=θr-θs。
通过RTK与SLAM坐标点，计算坐标系方向偏差角，将激光雷达与互补定位进行融合。
通过RTK+激光雷达两种定位方式融合定位，有效解决空旷环境下激光雷达扫描周围环境，特征点不够或相似特正点太多造成定位匹配失败的问题，以及解决空中有遮挡的环境下，RTK定位微信信号差，定位不准确的问题。
本方案适用于低速自主驾驶的移动机器人（自主作业巡检机器人，割草机，环卫用扫地机，工厂洗地机，工厂转运小车，消防巡检小车等），不是适用于乘用车辆，移动机器人作业速度不会超过30km/h，速度通常小于6km/h。
实施例2
当将实施例1所述的一种激光雷达与互补定位融合的定位方法，应用至机器人上时，在室外环境下，将RTK定位作为主定位，将激光雷达定位作为辅助定位。当RTK定位出现定位信号差、卫星信号被遮挡或定位点突然发生异常漂移的情况下，将自动切换到激光雷达的定位的方式，以此解决卫星被遮挡时RTK定位差的的问题。当移动机器人进入室内环境时，系统自动判断无卫星信号（RTK信号），系统将自动切换为激光雷达定位导航的工作模式。
该移动机器人主要包括：
RTK定位导航一体机：包含主机和定位、定向两只天线，分别起定位与定向作用，可提供厘米级定位以及定向信息。内置嵌入式处理器，根据云端服务器发送过来的下一目标点计算机器人运动方向以及速度，将方向与速度信号通过串口发送至VCU。内置4G通讯模块，将机器人实时位置与方向发送给云端服务器，接受云端服务器指令。
执行模块：接收RTK定位导航一体机发送的运动方向与云顶速度信息，解析信息，将信息转换为移动机器人电机转速与转向的控制信号，通过CAN、PWM、485通信输出电机转动指令。用户将CAN、PWM、485信号接入机器电机驱动器从而控制电机旋转，实现底盘的运动。通过ABC信号采集超声波传感器信号，若感应到障碍物，便电机停转；无障碍物，电机正常转动。
定位基站：与RTK定位导航一体机组成差分网络，提供厘米级高精度定位。
超声波传感器：可输出开关量，接入RTK定位导航一体机ADC检测接口，若前方无障碍物，则输出低电平，若检测到障碍物，则输出高电平。
云端服务器：起转发数据，存储数据的作用，接受移动APP发来的作业指令，并将移动机器人位置方向、运动状态、电量、等信息发送给APP。接收移动机器人发送过来的信息，将自主作业路线、目标点坐标发送给移动机器人。存储移动机器人设备信息，作业路线、用户账号等信息。
移动APP：即操作端，对移动机器人进行操作，绘制自主作业区域与作业路线，给云端服务器发送作业指令。接收并显示移动机器人方向位置等信息。
实施例3
本实施例公开了一种用于实施例1所述的激光雷达与互补定位融合的定位方法的系统，包括：
启动模块：用于启动激光雷达及互补定位算法；
互补定位检测模块：用于在互补定位信号良好时，优选使用互补定位信息；在互补定位信号无法提供厘米级定位数据时，开启激光雷达定位模块；
激光雷达定位模块：用于在互补定位信号不好时，使用激光雷达定位信息，根据偏差角将其转到互补定位坐标系下，提供厘米级定位数据；
建图模块：用于地图的建图。
上述实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种激光雷达与互补定位融合的定位方法，其特征在于，包括：
步骤S1、启动激光雷达及互补定位算法；
步骤S2、互补定位检测：在互补定位信号良好时，使用互补定位信息；在互补定位信号无法提供厘米级定位数据时，则执行步骤S3；
步骤S3、使用激光雷达定位信息：在互补定位信号不好时，使用激光雷达定位信息，根据偏差角将其转到互补定位坐标系下，提供厘米级定位数据。
2.根据权利要求1所述的激光雷达与互补定位融合的定位方法，其特征在于，所述步骤S2中使用互补定位信息，通过互补定位与建图坐标系方向偏差角来计算互补定位对应在地图中的坐标。
3.根据权利要求2所述的激光雷达与互补定位融合的定位方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如下步骤：
步骤S301、激光雷达定位检测：通过检测前后两侧激光雷达定位是否有跳动，来判断激光雷达定位是否有效，并时刻保存有效激光雷达定位；当定位失效时，执行步骤S302；
步骤S302、激光雷达重定位：在激光雷达定位发生跳动时，如果互补定位信号良好，优先使用互补定位信息，并使用互补定位与建图坐标系方向偏差角来计算互补定位对应在地图中的坐标；在互补定位信号不好时，使用激光雷达定位的上次有效定位坐标来实现重新定位。
4.根据权利要求3所述的激光雷达与互补定位融合的定位方法，其特征在于，所述互补定位与建图坐标系方向偏差角来计算互补定位对应在地图中的坐标，计算方法如下：
P’= R*P
其中， P为互补定位信息，θ为互补定位与建图坐标系方向偏差角，P’为互补定位对应在地图中的坐标，R为互补定位与建图坐标系方向偏差矩阵。
5.根据权利要求1所述的激光雷达与互补定位融合的定位方法，其特征在于，所述激光雷达定位算法采用正态分布变换算法获取位姿变换。
6.根据权利要求1所述的激光雷达与互补定位融合的定位方法，其特征在于，所述互补定位算法采用RTK定位技术。
7.根据权利要求6所述的激光雷达与互补定位融合的定位方法，其特征在于，所述地图的建图方法包括：
步骤A1、启动建图系统：启动RTK设备及激光雷达SLAM建图算法，记录启动点RTK坐标(Xrp,Yrp)及SLAM坐标(Xsp,Yxp)；
步骤A2、建图：操控建图设备，在需要导航的环境中行走，完成导航环境的扫描建图；
步骤A3、存储RTK及SLAM坐标：在建图过程中，自动按时间检测及距离存储RTK及SLAM坐标；
步骤A4、计算RTK与SLAM坐标系方向偏差角；
步骤A5、建图完成，保存地图。
8.根据权利要求7所述的激光雷达与互补定位融合的定位方法，其特征在于，所述RTK与SLAM坐标系方向偏差角的计算过程如下：
从步骤A3中存储的任意RTK点(Xrn,Yrn)及SLAM坐标(Xsn,Yxn)，计算各自在以(Xrp,Yrp)及(Xsp,Yxp)为原点坐标系下与X轴的夹角θr、θs，则RTK与SLAM坐标系方向偏差角为θ=θr-θs。
9.一种用于实现权利要求1-8任一项所述的激光雷达与互补定位融合的定位方法的系统，其特征在于，包括：
启动模块：用于启动激光雷达及互补定位算法；
互补定位检测模块：用于在互补定位信号良好时，使用互补定位信息；在互补定位信号无法提供厘米级定位数据时，开启激光雷达定位模块；
激光雷达定位模块：用于在互补定位信号不好时，使用激光雷达定位信息，根据偏差角将其转到互补定位坐标系下，提供厘米级定位数据；
建图模块：用于地图的建图。
10.一种应用权利要求1-8任一项所述的激光雷达与互补定位融合的定位方法的移动机器人，其特征在于，包括：
RTK定位导航一体机：包含主机和定位、定向两只天线，分别起定位与定向作用；主机内置嵌入式处理器，根据云端服务器发送过来的下一目标点计算机器人运动方向以及速度，将方向与速度信号通过串口发送至执行模块；
执行模块：接收RTK定位导航一体机发送的运动方向与云顶速度信息，解析信息，将信息转换为移动机器人电机转速与转向的控制信号，输出电机转动指令；
定位基站：与RTK定位导航一体机组成差分网络，提供厘米级高精度定位；
超声波传感器：接入RTK定位导航一体机ADC检测接口，若前方无障碍物，则输出低电平，若检测到障碍物，则输出高电平；
云端服务器：用于转发数据、存储数据，接收操作端发来的作业指令，并将移动机器人位置方向、运动状态、电量、信息发送给APP；
操作端：用于对移动机器人进行操作，绘制自主作业区域与作业路线，给云端服务器发送作业指令。
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