一種基于大氣壓的多層建筑物的地圖構建方法技術

本發明專利技術涉及地圖構建領域，尤其涉及一種基于大氣壓的多層建筑物的地圖構建方法，采用移動機器人系統探測多層建筑，所述移動機器人包括車輪編碼器、激光測距傳感器和氣壓傳感器，所述地圖構建方法包括以下步驟：一、在探測過程中記錄數據，所述數據包括車輪編碼器的原始量程、激光測距傳感器的讀數和氣壓傳感器的氣壓讀數；二、對數據進行Rao-Blackwellized粒子濾波處理，得到多層建筑的2D度量地圖；三、根據多層建筑的2D度量地圖，利用大氣壓原理分割出單層的地圖。本發明專利技術建立在公開的、開源的硬件和軟件框架基礎上，很容易實現；不需要依賴多個機器人的團隊合作；重復、對稱或不同的建筑特色的環境不會影響到地圖分割的性能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及地圖構建領域，尤其涉及一種基于大氣壓的多層建筑物的地圖構建方 法。
技術介紹
為室內環境構建地圖一直是一個值得研究的問題。目前已經有一些方法為室內環 境構建二維地圖，其相應的三維地圖構建方法也正在興起。移動機器人地圖構建方法分為 五類:度量地圖、拓撲地圖、水平傳感器地圖、基于外觀的地圖和語義地圖。 度量地圖是機器人學中最為常用的一類地圖構建方法。其中，柵格地圖又是度量 地圖中的一種。本文所述度量地圖即為用柵格地圖構建的方式來得到的2D度量地圖。柵格 地圖是使用概率的方法來表示環境，每一個網格表示該位置在環境中被占用的概率，這個 值越到大表示被占用的概率越大，這個值越小表示被占用的概率越小。計算這個概率的方 法有卡爾曼濾波、粒子濾波、以及基于圖的優化方法。 盡管已經有很多的二維地圖構建方法，但卻只有少數的方法是用來構建多層建筑 物的地圖。羅馬的盧卡·約基和斯蒂凡諾·佩萊格里尼提出了一種基于視覺測距的方法來構 建多層建筑物的平面圖。然而，該方法需要移動機器人順序構建各層的地圖，而且在電梯處 需要有突出的視覺特征。 使用多個移動機器人的SLAM(即時定位與地圖構建)方法在構建多層建筑物地圖 方面也有類似的問題。美國宇航局噴氣推進實驗室的安德魯·霍華德在其論文《多機器人使 用粒子濾波器即時定位和地圖構建》中提出從各層機器人中獲得單張地圖，然后通過地圖 合并方法整合成為一個全局的地圖。華盛頓大學計算機科學與工程系的喬納森·柯本杰明· 斯圖爾特提出根據機器人定位彼此在各自地圖的位置，然后通過全球定位來創建用于合并 地圖的約束條件的方法來構建多層建筑的地圖。 邁克爾·卡格也提出了一種直接解決多層建筑物地圖構建的方法。與喬納森·柯本 杰明·斯圖爾特的方法類似，他們使用全局約束去排列各樓層的地圖。他們的方法適用于多 機器人團隊，且它是基于樓層之間的某些建筑特征是很常見的這個假設。單個傳感器(激光 測距儀)是用來全球定位和產生約束。如果在不同的樓層間某些建筑特色是重復的，對稱或 不相似。這個方法就不奏效了。此外，它并沒有解決地圖對應建筑物的哪個樓層這個問題， 因此，該信息必須另外手動給出。 本專利技術和以上提到的方法有著顯著的不同，不論是地圖的生成方式還是地圖所代 表的意義。本專利技術不僅得到了多層建筑的全局地圖，也能得到單一樓層的地圖；此外，本發 明不依賴于樓層之間相似的建筑特征，只要能得到二維的SLAM度量地圖就夠了；另一方面， 本專利技術目前支持單個機器人系統。基于這樣的事實，各樓層的地圖是可以從一個連續的，全 局的數據集中分割出來。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供，以解決現 有技術依賴于樓層之間的相似特征、需要多個機器人團隊合作等缺陷。 為了實現上述的目的，采用如下的技術方案。一種基于大氣壓的多層建筑物的地 圖構建方法，采用移動機器人系統探測多層建筑，所述移動機器人包括車輪編碼器、激光測 距傳感器和氣壓傳感器，所述地圖構建方法包括以下步驟： 一、 移動機器人由操作人員遠程操控移動，在機器人移動探測過程中記錄數據，所述數 據包括車輪編碼器的測量數據、激光測距傳感器的觀測數據和氣壓傳感器的氣壓讀數； 二、 對數據進行Rao-Blackwel1ized粒子濾波處理，得到多層建筑的2D度量地圖； 三、 根據多層建筑的2D度量地圖，利用大氣壓原理分割出單層的地圖。 本專利技術是建立在公開的、開源的硬件和軟件框架基礎上。能夠不依賴于樓層之間 的相似的建筑特征，不需要多個機器人的團隊合作，只需要一個完整的機器人系統就能夠 得到多層建筑物的2D度量地圖，再依據大氣壓原理把每一層的地圖分割出來。所述激光測 距傳感器的觀測數據和車輪編碼器的測量數據通過Rao-Blackwellized粒子濾波算法可以 分析得到整棟樓的度量地圖。根據氣壓與高度的反比關系，所述氣壓傳感器的讀數可以分 析出樓層的轉接處，并分割出多層建筑每一層的地圖。 所述步驟二的Rao-Blackwellized粒子濾波的關鍵思想是估計地圖m的聯合后驗 分布:顧!:￡|和機器人的路徑縣。爲。使用觀測數據_ 測量數據纖通過下式的因式分解估計得到聯合后驗分布：使用上述方程，可以預先估計機器人的路徑__遍^_:^1，從而根據估計的路徑 構建環境地圖i：iJ： °氣壓(大氣壓力）是大氣層中的物體受大氣層自身重力產生的作用于物體上的壓 力。因此，壓力相對于無限小的高度的變化應正比于通過空氣的質量在該無限小層所施加 的重力。這種關系可表示為：其中P表示大氣壓力，Z是海拔高度，舜是空氣密度，g是重力加速度，負號表示隨著海拔 高度的升高大氣壓力不斷減小。另外，理想的氣體定律為.其中，R是玻爾茲曼常數，T是指溫度。因此，由式（1)(2)可得： 根據國際標準，標準大氣壓。因此，對于恒定的重力加速度和溫度，根 據一階積分方程(3)可以得到大氣壓原理：利用氣壓減少的事實作為機器人移動到上層的標志，并以氣壓增加作為機器人移動到 低層的標志。此外，我們假定壓力保持相對穩定則說明在同一層，樓層之間的壓差是相鄰層 之間的重要信息。地圖分割只考慮氣壓讀數，與現有的方法不同，重復、對稱或不同的建筑 特色的環境不會影響到地圖分割的性能。 與現有技術相比，本專利技術的實質是在得到多層建筑的2D度量地圖后，根據大氣壓 原理分割出每一層樓的地圖；本專利技術是建立在公開的、開源的硬件和軟件框架基礎上，因此 可以很容易在現有系統上實現;本專利技術不需要依賴多個機器人的團隊合作，只需要一個完 整的機器人系統就能夠得到多層建筑物的度量地圖；本專利技術在分割度量地圖時只需要考慮 氣壓讀數，重復、對稱或不同的建筑特色的環境不會影響到地圖分割的性能。【附圖說明】 圖1是移動機器人探測建筑得到的地上六層的2D度量地圖； 圖2是建筑八個樓層的氣壓讀數； 圖3是在一個穩定的點上測量到大氣壓和溫度的變化； 圖4是移動機器當前第1頁1 2 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于大氣壓的多層建筑物的地圖構建方法，其特征在于，采用移動機器人系統探測多層建筑，所述移動機器人包括車輪編碼器、激光測距傳感器和氣壓傳感器，所述地圖構建方法包括以下步驟：一、在探測過程中記錄數據，所述數據包括車輪編碼器的測量數據、激光測距傳感器的觀測數據和氣壓傳感器的氣壓讀數；二、對數據進行Rao?Blackwellized粒子濾波處理，得到多層建筑的2D度量地圖；三、根據多層建筑的2D度量地圖，利用大氣壓原理分割出單層的地圖。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：范衠，李芳，容毅標，李文姬，林惠標，余澤峰，
申請(專利權)人：汕頭大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44