CN202512438U - 一种鱼眼摄像头的移动机器人slam平台 - Google Patents
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Abstract
该实用新型涉及一种鱼眼摄像头的移动机器人SLAM平台，该装置主要包括Point Grey Flycapture摄像头(1)、移动机器车iRobot Create(6)、微型计算机Fitpc2(11)、URG-04LX激光测距仪(13)、操纵杆(41)和外部计算机(42)。微型计算机Fitpc2(11)将运行机器人操作系统ROS，并能控制移动机器车iRobot Create(6)的运动。移动机器人使用里程计(22)估计位置，并使用摄像头(1)和激光测距仪(13)获取障碍物的位置图像和位置坐标，并根据障碍物的位置定位移动机器人本身的位置。同时微型计算机Fitpc2(11)通过无线网络不断将摄像头(1)和激光测距仪(13)获取的障碍物图像和位置信息发送到外部计算机(42)。外部计算机(42)根据迭代反馈循环算法得出移动机器人的准确坐标位置，并根据得到的移动机器人的位置信息同步的建立地图。
Description
技术领域
该实用新型涉及一种鱼眼摄像头的移动机器人SLAM平台，属于电子技术、传感技术和计算机技术等领域。
背景技术
近年来，出现了各类用于移动机器人同步定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)研究的定位平台。虽然这些平台各具特色，但是它们无法满足可扩展性、可移植性和廉价性等的要求。一些平台是由资源有限的简易移动机器人搭建起来的。因此计算能力和传感器性能都较差，无法进行准确的同步定位与建图。这些平台包括MicaBot 、CotsBot 和Robomote 机器人；一些平台基于全套的商用机器人，它们有独特的软硬件结构，而且计算能力强，传感器性能好，但是可移植性差并且单个移动机器人价格昂贵。这类机器人的典型代表是Pioneer移动机器人家族。因此出于各方面的原因，智能移动机器人SLAM研究平台难以在一般的实验室普及。
发明内容
针对现有技术的缺点，本实用新型的目的是提出一种成本相对较低、计算能力较强、传感器性能好和软硬件可移植的鱼眼摄像头的移动机器人SLAM平台。该移动机器人SLAM平台包括硬件架构和软件系统。
一种鱼眼摄像头的移动机器人SLAM平台硬件部分主要包括Point Grey Flycapture 摄像头(1)、上层有机玻璃挡板(2)、右支撑架(3)、中层挡板(4)、下层挡板(5)、移动机器车iRobot Create (6)、右车轮(7)、Fitpc2供电电源(8)、左车轮(9)、冷却风扇(10)、微型计算机Fitpc2 (11)、左支撑架(12)和Hokuyo LRF URG-04LX激光测距仪(13)。移动机器车iRobot Create (6)设有左右两根支撑架(12)(3)，它们将上层玻璃挡板(2)、中层玻璃挡板(4)和下层玻璃挡板(5)垂直连接并固定在移动机器车iRobot Create (6)上。固定在上层有机玻璃挡板(2)上的是Point Grey Flycapture 摄像头(1)，它的型号是Firefly MV FMVU-03MTC，分辨率是640×480，帧/行频63fps。Hokuyo激光测距仪(13)固定在中层有机玻璃挡板(4)和上层有机玻璃挡板(2)之间，它的测量范围在20mm到4094mm之间，扫描范围2400,扫描速率100 ms/scan，距离精确度±3%，角分辨率为0.360；固定在中层有机玻璃挡板(4)和下层玻璃挡板(5)之间的是一台微型计算机Fitpc2 (11)。这是一种轻巧的微型台式计算机，能运行Windows和Linux两种操作系统。由于微型计算机Fitpc2 (11)内部没有散热风扇，无法散热。因此为其配备一台冷却风扇(10)，使其能长时间工作。冷却风扇(10)固定在移动机器车iRobot Create (6)上；移动机器车iRobot Create (6) 是一个商业化的移动平台。通过它的串口可以读到传感器数据，并且可以使用iRobot Roomba 开放接口协议发送对马达的控制命令。
一种鱼眼摄像头的移动机器人SLAM平台软件部分由机器人操作系统(Robot Operating System, ROS)构成。这是一种开源的元操作系统，它提供的服务包括硬件抽象、低端设备控制、常用函数实现、进程之间的信息传输以及软件包管理。
ROS有两个基本的部分，一部分是ROS的核心部分，它的基本功能是可以跟一台带有无线通信功能(如Wi-Fi)并运行ROS操作系统的电脑进行无线通信，并能利用外部带有无线通信功能的计算机远程遥控移动机器人进行运动。另一个部分的程序包是整个ROS社区共享的开源代码。ROS社区指的是所有使用ROS操作系统的个人、研究团体和科研院所都可以将代码发布到网上的ROS社区中。并且这些代码可以很容易的下载并移植到其他使用ROS操作系统的移动机器人平台或传感器平台上。利用这些开源代码就能在这个平台上实现目标检测、目标追踪、目标识别、同步定位与建图以及自动导航等功能。
ROS的网络结构包括外部计算机 (42)、无线通信(43)和移动机器人车载计算机 (27)。外部计算机 (42)和移动机器人车载计算机(27)之间通过无线局域网(43)连接。外部计算机(42)具有强大的计算能力，能处理各类计算量很大的任务，如机器视觉、目标检测、定位等。
对于任何移动机器人的应用，首先都得知道移动机器人在工作环境中的位置，这样就需要有具体工作环境的地图。然而地图可能不是现成的。因此，很多时候需要机器人自己到工作环境中去建图。这样移动机器人同步定位与建图问题就产生了。同步定位与建图技术的定义是在一个未知的环境中，移动机器人建立一张未知环境的地图，同时定位它自身在地图中的位置。
可以通过机器人的内部传感器和外置的传感器进行环境建图。机器人的内部传感器也叫做里程计。移动机器人的里程计由于车轮打滑等原因，通常都有累积误差。因此为了得到准确的机器人位置，需要外置其他传感器一起完成同步定位与建图任务。另外使用一种迭代反馈循环算法来进一步提高定位的准确性。
该装置的有益之处是设计一种模块化的低成本和可移植性强的移动机器人SLAM平台，并使用了一种相对简单有效的迭代反馈循环算法来进一步提高定位和建图的准确性。同时这个平台也为准确定位和建图后，移动机器人自动导航研究提供了一种新的研究平台。
附图说明
下面结合附图对本实用新型做进一步描述。
图1 鱼眼摄像头的移动机器人SLAM平台结构图；图2 移动机器车iRobot Create结构图俯视图(1)和底部俯视图(2)；图3 Point Grey Flycapture 摄像头左视图；图4微型计算机Fitpc2的主视图和背面的主视图；图5 Hokuyo激光测距仪的左视图；图6移动机器人操纵杆Joystick左视图；图7移动机器人车载计算机与外部计算机无线通信示意图；图8 移动机器人定位算法示意图；图9 鱼眼摄像头的移动机器人SLAM平台实物结构主视图。
图中：1是Point Grey Flycapture 摄像头，2是上层挡板，3是右支撑架，4是中层挡板，5是下层挡板，6是移动机器车iRobot Create，7是右车轮，8是Fitpc2供电电源，9是左车轮，10是冷却风扇，11是微型计算机Fitpc2，12是左支撑架，13是Hokuyo LRF URG-04LX激光测距仪，14是全方向红外接收器，15是控制面板，16是螺丝孔，17是串行口，18是充电插口，19是装载舱连接口，20是装载舱，21是挡板，22是边缘传感器端口，23是地基接触点，24是左右车轮，25是电池，26是后轮，27是USB连接口，28是电源开关，29是SD存储卡卡槽，30是RS232接口，31是微型USB接口，32是电源，33是无线局域网(WLAN)，34是语音输入，35是网口，36是语音输入，37是USB口，38是重置键，39是数字视频系统，40是USB接口，41是操纵杆，42是外部计算机，43是无线网络，44是USB串行口连接线，45是USB连接线，46是内部传感器，47是预测位置，48是位置估计，49是估计，50是匹配，51是用真实数据匹配预测值，52是是否匹配，53是处理传感器数据，54是外部传感器(真实观测值)，55是预测到的观测值，56是同步建立地图。
具体实施方案
参见附图，包括Point Grey Flycapture 摄像头(1)；移动机器车iRobot Create (6)包括全方向红外接收器(14)、控制面板(15)、串行口(17)和边缘传感器端口(22)；微型计算机Fitpc2 (11)包括微型USB接口(31)、无线局域网(WLAN) (33)和USB口(37)；Hokuyo LRF URG-04LX激光测距仪(13)包括USB接口(40)；启动微型计算机Fitpc2 (11)，启动移动机器车iRobot Create (6)，开启Point Grey Flycapture 摄像头(1)和Hokuyo激光测距仪(13)。微型计算机Fitpc2 (11)将运行机器人操作系统ROS，并能控制移动机器车iRobot Create (6)的运动；通过USB口与微型计算机Fitpc2 (11)相连的Point Grey Flycapture 摄像头(1)和Hokuyo激光测距仪(13)都可以在ROS系统中使用。微型计算机Fitpc2 (11)具有Wi-Fi功能，通过Ad-hoc无线局域网(43)与外部计算机(42)通信。外部计算机(42)同样也运行机器人操作系统ROS，它通过Ad-hoc无线局域网(43)使用操纵杆Joystick(41)来控制移动机器人在具体环境中运动。移动机器人使用里程计(22)估计位置。同时使用Point Grey Flycapture 摄像头(1)和Hokuyo激光测距仪(13)获取障碍物的位置图像和位置坐标，并根据障碍物的位置定位移动机器人本身的位置。同时移动机器人上的微型计算机Fitpc2(11)通过无线网络不断将Point Grey Flycapture 摄像头(1)和Hokuyo激光测距仪(13)获取的障碍物图像和位置信息发送到外部计算机(42)。外部计算机(42)根据迭代反馈循环算法处理这些得到的图像和位置数据，最后得出移动机器人的准确坐标位置。然后将处理以后的结果和指令再通过无线局域网(43)不断的发送给微型计算机Fitpc2 (11)。微型计算机Fitpc2 (11)根据得到的移动机器人的位置信息同步的建立地图。随着移动机器人的运动，微型计算机Fitpc2 (11)根据外部计算机(42)不断发送来的位置坐标信息就能不断确定和更新自身的位置，同时未知环境的地图也同步不断的建立和扩大。
本实施例中，上层挡板(2)、中层挡板(4)、下层挡板(5)均为有机玻璃制成，具有坚固和重量轻的特点。另外根据需要可以不断增加挡板的数量，以便放置更多的硬件设备。
本实施例中，鱼眼摄像头(1)采用Point Grey公司生产的Firefly摄像头。
本实施例中，微型计算机(11)采用CompuLab公司生产的Fitpc2微型计算机，该型计算机能运行Windows和Linux两类操作系统。这里用到了Linux版本的Fitpc2微型计算机(11)运行机器人操作系统ROS。
本实施例中，激光测距仪(13)采用Hokuyo公司生产的Hokuyo LRF URG-04LX。
本实施例中，鱼眼摄像头(1)和激光测距仪(13)均采用USB供电，Fitpc2微型计算机(11)采用12V直流电源供电。
Claims (2)
1.一种鱼眼摄像头的移动机器人SLAM平台，其特征是该装置包括Point Grey Flycapture 摄像头(1)、上层有机玻璃挡板(2)、右支撑架(3)、中层挡板(4)、下层挡板(5)、移动机器车iRobot Create (6)、右车轮(7)、Fitpc2供电电源(8)、左车轮(9)、冷却风扇(10)、微型计算机Fitpc2 (11)、左支撑架(12)和Hokuyo LRF URG-04LX激光测距仪(13)；移动机器车iRobot Create (6)设有左右两根支撑架(12)(3)，它们将上层玻璃挡板(2)、中层玻璃挡板(4)和下层玻璃挡板(5)垂直连接并固定在移动机器车iRobot Create (6)上。
2.权利要求1所述的一种鱼眼摄像头的移动机器人SLAM平台，其特征是微型计算机Fitpc2 (11)具有Wi-Fi功能，通过Ad-hoc无线局域网(43)与外部计算机(42)通信；外部计算机(42)通过Ad-hoc无线局域网(43)使用操纵杆Joystick(41)来控制移动机器人在具体环境中运动；移动机器人使用里程计(22)估计位置；同时使用Point Grey Flycapture 摄像头(1)和Hokuyo激光测距仪(13)获取障碍物的位置图像和位置坐标，并根据障碍物的位置定位移动机器人本身的位置；同时移动机器人上的微型计算机Fitpc2(11)通过无线网络不断将Point Grey Flycapture 摄像头(1)和Hokuyo激光测距仪(13)获取的障碍物图像和位置信息发送到外部计算机(42)；微型计算机Fitpc2 (11)根据得到的移动机器人的位置信息同步的建立地图；随着移动机器人的运动，微型计算机Fitpc2 (11)根据外部计算机(42)不断发送来的位置坐标信息就能不断确定和更新自身的位置，同时未知环境的地图也同步不断的建立和扩大。
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