CN207373179U - 一种用于slam及导航的机器人控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于SLAM及导航的机器人控制系统，包括可控制移动底盘、深度摄像头、激光雷达和PC机；所述的深度摄像头与PC机通信连接输入彩色图像，所述的激光雷达与PC机通信连接输入激光避障信息；所述的PC机与可控制移动底盘的控制板通信连接发出控制指令和里程数据，控制板与左轮电机和右轮电机连接驱动左轮电机和右轮电机，左轮电机和右轮电机分别连接编码器、两个驱动轮，编码器连接控制板。本实用新型通过深度摄像头和激光雷达数据，PC机可实现对可控制移动底盘的精确控制，而且能在导航时有效躲避障碍物。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种双传感器的即时定位与地图构建（SLAM）和用于导航的机器人控制系统，属于机器人系统控制领域。
背景技术
即时定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping, 即SLAM）的目的是让机器人在未知环境中持续地构建环境地图，并同时在地图中给自己定位。在室内机器人市场中，各色各样的机器人给整个SLAM技术以及相关领域带来了新高度，本实用型专利所设计的机器人移动平台是一种用于来完成室内导航避障任务的，它能够在完成室内构图以及导航的基础上，在对导航过程中突发状况（如偶遇行人）进行避障，对机器人室内导航领域有很大的应用价值。
近年随着SLAM技术的发展，室内扫地机器人逐渐走进千家万户。室内扫地机器人的定位精度以及构图精度，越来越受到人们的重视。所以在室内导航方面，定位和构图是十分重要的，定位的精度以及构图的精度对传感器以及环境的要求是及其严格的，因为只有在传感器精度高以及静态环境下，机器人的定位和构图的精度才有保障。目前在室内机器人定位与构图方面，大多只采用一个传感器（深度摄像头或其他），对环境的观测不完备，容易导致构图和定位的精度低，且不能应对突发状况（如撞到行人），而本实用型专利弥补了传统室内机器人解决方案的不足，采用深度摄像头和激光雷达两个传感器，通过两种传感器数据融合，提高了机器人定位与构图精度，并能应对突发状况，实行自主避障。
实用新型内容
1、本实用新型的目的。
在机器人构图、定位和导航的过程中，传感器的选择和适用，实现实时输入是至关重要的。本实用新型为了解决现有的机器人移动平台传感器单一所引起的问题，通过设置深度摄像头和激光雷达两个传感器，从而提高移动机器人移动平台的建图、定位和导航的精度。
2、本实用新型采用的技术方案。
本实用新型提出的用于SLAM及导航的机器人控制系统，包括可控制移动底盘、深度摄像头、激光雷达和内置SLAM算法的PC机；所述的深度摄像头与PC机通信连接输入彩色图像，所述的激光雷达与PC机通信连接输入激光避障信息；所述的可控制移动底盘包括控制板、左轮电机和右轮电机、两个驱动轮、两个从动轮、单轴陀螺仪、一对编码器，一个可以扩展的输入输出端口和一个后挡板；所述的PC机与可控制移动底盘的控制板通信连接发出控制指令和里程数据，控制板与左轮电机和右轮电机连接驱动左轮电机和右轮电机，左轮电机和右轮电机分别连接编码器、两个驱动轮，两个驱动轮分别驱动两个从动轮，编码器连接控制板，控制板处理编码器以及陀螺仪数据生成里程计数据。
更进一步具体实施方式中，深度摄像头和激光雷达置于移动底盘的顶端或者侧端。
更进一步具体实施方式中，深度摄像头和激光雷达置于移动底盘的顶端，且深度摄像头安装的高度高于激光雷达。
更进一步具体实施方式中，所述的后挡板安装在可控制移动底盘上，位于深度摄像头和激光雷达镜头的反向端。
更进一步具体实施方式中，所述的控制板上为DSP芯片，具体为TMS320C24xA/LF240xA。
更进一步具体实施方式中，所述的单轴陀螺仪为110度/秒单轴陀螺仪。
更进一步具体实施方式中，所述的PC机为安装有Ubuntu操作系统的ThinkPadX260笔记本电脑。
更进一步具体实施方式中，所述的深度摄像头为Kinectv2摄像头。
更进一步具体实施方式中，所述的激光雷达为RoboPeak激光雷达。
3、本实用新型的有益效果：
（1）本实用新型提出的用于SLAM和导航的机器人移动平台，通过深度摄像头和激光雷达数据采集，在PC机终端进行数据融合，提高构图、定位和导航的精度；
（2）本实用新型提出的用于SLAM和导航的机器人移动平台，通过深度摄像头和激光雷达数据，PC机可实现对可控制移动底盘的精确控制，而且能在导航时有效躲避障碍物。
附图说明
图1为本实用新型移动底座结构图。
图2为本实用新型移动机器人硬件平台。
图3为本实用新型专利的实时构图过程说明。
图4为本实用新型专利的导航及避障过程说明。
其中1、上位机，2、Kinectv2深度摄像头，3、激光雷达，4、可控制移动底盘。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本实用新型进一步说明
为解决上述技术问题，如图1所示，所述机器人移动平台包括：可控制移动底盘、深度摄像头、激光雷达和PC机。其中，移动底盘可以控制机器人移动平台的移动并输出里程计数据，摄像头输出的彩色图像可被应用于纹理识别，激光雷达输出的激光数据可被应用于避障，PC机内置ROS（Robot Operation System）机器人操作系统，可把采集的数据进行融合，进而实现机器人的构图、定位和导航，并在此基础上把机器人建图、定位和导航的精度进一步提高，移动底座设有多个串口和电源输出口，可以很方便地进行扩展来进行二次开发。
本实用新型移动底盘选用的自制移动底座，底盘有两个驱动轮，2个车辘共四个可移动小轮，110度/秒单轴陀螺仪，一对编码器，一个可以扩大的输入输出端口和一个后挡板。该移动底座很容易进行二次开发利用，并且与机器人操作系统（ROS）有专门的通讯协议，方便在ROS环境下进行SLAM算法验证。
本实用新型的传感器主要有深度摄像头和激光雷达组成，其中深度摄像头选用Kinectv2摄像头，激光雷达选用RoboPeak激光雷达。Kinectv2摄像头与Kinectv1摄像头相比，识别精度更高、镜头视角也更大；而RoboPeak激光雷达具有测距精度高，方向性强，响应快，不受地面杂波影响等优势。通过Kinectv2摄像头可以获取图像信息，可用于纹理识别来提高SLAM构图闭合的精度；通过RoboPeak激光雷达可获取激光数据，用于移动机器人移动平台的自动导航；在PC机的终端将二者信息进行数据融合，从而来提高机器人移动平台的构图、定位和导航的精度。
本设计中PC机选用的是ThinkPad X260笔记本电脑，该款笔记本小巧而实用，能够很好的运行各种复杂的SLAM算法。
本实用型新型完全满足机器人在SLAM和导航方面的要求，其控制过程如下：PC机从深度摄像头和激光雷达分别采集图像数据和实时度量数据，进行数据融合，通过SLAM算法，构建栅格地图。同时通过深度摄像头对周围环境实行纹理识别，进行回环检测，提高地图精度；最后在提高精度的地图上，更加顺利的完成自动导航的功能。
图2 为本实用新型的移动机器人硬件平台，也是设计的整体实物图。PC机负责从传感器获取信息，经算法处理实现建图，定位和导航，同时确保其精度。在自动导航时，PC机经传感器信息的处理，向移动底座发出控制指令，然后移动底座驱动电机来确保整个移动机器人移动平台的移动，最终顺利的完成导航的任务。
图3为本实用新型的实时构图说明，在一个未知环境，控制机器人移动，获取机器人里程计信息、深度摄像头数据以及激光雷达数据，通过SLAM算法，将数据融合，构建实时环境地图，最后通过图像信息，进行环境的纹理识别，进行回环检测，进一步提高构图精度，生成栅格地图用于导航。
图4位本实用型专利的导航避障说明，在有先验的栅格地图的基础上，在地图内设置目标点。结合栅格地图进行路径规划，同时通过激光雷达数据，探测环境特征，对小车在地图中的位置实行定位，在结合规划好的路径，向底盘发送控制信息，向目标点运动。在运动过程中还要结合激光雷达数据，实时检测机器人前方有无障碍物，来应对突发状况，实现避障。
Claims (9)
1.一种用于SLAM及导航的机器人控制系统，其特征在于：包括可控制移动底盘、深度摄像头、激光雷达和内置SLAM算法的PC机；
所述的深度摄像头与PC机通信连接输入彩色图像，所述的激光雷达与PC机通信连接输入激光避障信息；
所述的可控制移动底盘包括控制板、左轮电机和右轮电机、两个驱动轮、两个从动轮、单轴陀螺仪、一对编码器，一个可以扩展的输入输出端口和一个后挡板；
所述的PC机与可控制移动底盘的控制板通信连接发出控制指令和里程数据，控制板与左轮电机和右轮电机连接驱动左轮电机和右轮电机，左轮电机和右轮电机分别连接编码器、两个驱动轮，两个驱动轮分别驱动两个从动轮，编码器连接控制板，控制板处理编码器以及陀螺仪数据生成里程计数据。
2.根据权利要求1所述的用于SLAM及导航的机器人控制系统，其特征在于：所述的深度摄像头和激光雷达置于移动底盘的顶端或者侧端。
3.根据权利要求2所述的用于SLAM及导航的机器人控制系统，其特征在于：所述的深度摄像头和激光雷达置于移动底盘的顶端，且深度摄像头安装的高度高于激光雷达。
4.根据权利要求1所述的用于SLAM及导航的机器人控制系统，其特征在于：所述的后挡板安装在可控制移动底盘上，位于深度摄像头和激光雷达镜头的反向端。
5.根据权利要求1所述的用于SLAM及导航的机器人控制系统，其特征在于：所述的控制板上为DSP芯片，具体为TMS320C24xA/LF240xA。
6.根据权利要求1所述的用于SLAM及导航的机器人控制系统，其特征在于：所述的单轴陀螺仪为110度/秒单轴陀螺仪。
7.根据权利要求1所述的用于SLAM及导航的机器人控制系统，其特征在于：所述的PC机为安装有Ubuntu操作系统的ThinkPad X260笔记本电脑。
8.根据权利要求1所述的用于SLAM及导航的机器人控制系统，其特征在于：所述的深度摄像头为Kinectv2摄像头。
9.根据权利要求1所述的用于SLAM及导航的机器人控制系统，其特征在于：所述的激光雷达为RoboPeak激光雷达。
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