一種基于激光數據的移動機器人點云地圖創建方法技術

本發明專利技術公開了一種基于激光數據的移動機器人二維點云地圖創建方法。該方法包括以下步驟：步驟1：移動機器人與客戶端之間建立實時通信和數據傳輸；步驟2：激光傳感器和里程計隨移動機器人的運動采集外部環境數據并傳輸至工控機，生成本地數據文件；步驟3：針對本地數據文件，對其已存儲的數據進行預處理，刪除匹配度低于閾值的數據幀；步驟4：根據預先采集的激光和里程計信息進行離線計算，形成機器人所在環境的二維點云地圖。本發明專利技術數據采集操作簡單，且無需預先了解環境結構空間，也無需額外鋪設地標，成本低廉、地圖創建速度快精度高，可實現移動機器人在未知環境下地圖的多次創建和快速更新。

【技術實現步驟摘要】
一種基于激光數據的移動機器人點云地圖創建方法
本專利技術屬于智能機器人導航領域，特別地涉及一種基于激光數據的移動機器人點云地圖創建方法。
技術介紹
地圖創建是移動機器人相關技術中的一個基本而且十分重要的問題，在移動機器人導航定位和全局路徑規劃等相關領域有著廣泛的應用。為了實現移動機器人的自主導航，必須通過自定位來獲取機器人在環境中的準確位姿。根據先驗地圖進行的移動機器人定位和導航技術得到了廣泛的研究，并取得了很好的應用效果。但是實際環境往往是未知的，不能提供諸如環境大小、形狀、障礙物位置等先驗信息，而且實際環境中也往往不存在路標、燈塔等人為設定的標志物，這給移動機器人的自主導航帶來了很大的問題。所以，在未知環境中，如何通過傳感器提取出環境和障礙物信息，并快速地創建環境地圖是移動機器人自定位、導航和路徑規劃問題解決的關鍵。近年來，由于導航定位以及路徑規劃等技術的迫切需要，關于移動機器人基于激光掃描數據而進行地圖創建的研究發展迅速。匹配是基于激光測距儀環境地圖創建的一種核心方法。匹配就是利用兩組激光數據點集并根據兩組點集間相關數據的配準來估計兩組點集的位姿變化，使得兩組激光數據點集能夠最大程度的重合，從而完成機器人環境地圖的創建。國際上有許多學者進行了大量的研究，提出了大量的數據點集匹配方法。總體上分為兩類：一是采用經過高精度標定的儀器來獲取不同視點的數據以及它們之間的變換關系進行數據間的配準計算法。但是由于受到條件的限制，很難得到這些數據采集位置信息，因此應用范圍并不廣泛。二是在沒有任何控制之下，基于數據點集信息對相鄰數據點集的配準。由于這種方法應用范圍廣泛，得到了大量的研究應用。基于激光數據點集匹配算法大致可分為非迭代匹配算法和迭代匹配算法。直方圖匹配算法是典型的非迭代匹配算法，該算法利用角度直方圖和位移直方圖進行匹配，其最大優點是容易實現，匹配速度快，但是由于與直方圖的分辨率有關，直方圖的匹配精度十分有限。迭代最近點(iterativeclosestpoint)算法是一種典型的迭代匹配算法。該算法是一種通過在迭代過程中不斷降低配準誤差來獲取采樣點相對位置變換的掃描匹配方法。總體而言，非迭代匹配算法的匹配速度較快但是匹配精度不高，結合基于激光掃描數據進行地圖創建的要求，迭代匹配算法更適用于移動機器人導航系統。
技術實現思路
本專利技術的目的在于解決現有技術中存在的問題，并提供一種基于激光數據的移動機器人點云地圖創建方法。本專利技術所采用的具體技術方案如下:一種基于激光數據的移動機器人點云地圖創建方法，包括如下步驟：步驟1：移動機器人與客戶端之間建立實時通信和數據傳輸；步驟2：激光傳感器和里程計隨移動機器人的運動采集外部環境數據并傳輸至工控機，生成本地數據文件；步驟3：針對本地數據文件，對其已存儲的數據進行預處理，刪除匹配度低于閾值的數據幀；步驟4：根據預先采集的激光和里程計信息進行離線計算，形成機器人所在環境的二維點云地圖。作為優選，基于步驟1的具體過程為：步驟1.1：移動機器人與客戶端連接于同一個局域網，并基于UDP連接實現實時通信；步驟1.2：移動機器人上搭載的工控機與解算板通過RS232串口進行通信，工控機與激光傳感器通過TCP/IP連接進行數據傳輸。作為優選，基于步驟2的具體過程為：步驟2.1：激光傳感器以一定的頻率和角度范圍平面掃描外部環境，獲取激光傳感器所在位置與周邊環境間的距離數據，并實時傳輸至工控機；步驟2.2：里程計隨著機器人的平面運動實時記錄機器人的位置和姿態信息，同時傳輸至工控機；位置信息包括X、Y軸坐標值，姿態信息包括旋轉角度值；步驟2.3：工控機將接收到的激光掃描數據和位置姿態信息存儲于本地，生成本地數據文件。作為優選，基于步驟3的具體過程為：步驟3.1：針對本地數據文件，從數據幀首幀開始，采用迭代最近點算法分別匹配相鄰兩幀數據，并獲得相鄰兩數據幀的匹配度值；步驟3.2：設定匹配度閾值，刪除匹配度低于閾值的數據幀，保留匹配度不低于閾值的數據幀；步驟3.3：將所保留的數據幀重新輸出至本地文件進行存儲。進一步的，基于步驟4的具體過程為：步驟4.1：將步驟3.3中存儲的本地數據文件中各數據幀以點云圖的形式顯示；步驟4.2：選擇該本地數據文件中待拼接的數據幀的范圍為第p幀至第q幀，其中q-p>＝0；步驟4.3：采用點云庫中迭代最近點算法從第p幀至第q幀數據進行逐幀自動點云匹配和數據融合；待匹配完成后，更新顯示匹配后的數據集點云地圖，將點云地圖以*.map的形式存儲于本地文件。更進一步的，基于步驟4.3已創建的點云地圖進行路徑規劃和機器人手動控制，具體步驟為：步驟5.1：客戶端加載*.map點云地圖，并顯示該地圖文件所表示的點云；步驟5.2：通過UDP連接，客戶端從移動機器人實時獲取里程計記錄的機器人位置和姿態信息，并實時模擬顯示移動機器人在地圖的相應位置。步驟5.3：通過客戶端進行地圖路徑規劃，添加直線路徑和曲線路徑，其中曲線形式為三次貝塞爾曲線；步驟5.4：通過客戶端添加停靠點，選擇已繪制的直線路徑，并在此路徑上添加點作為移動機器人導航時的停靠點；步驟5.5：通過客戶端傳輸運動控制命令至移動機器人上的工控機，實現機器人前后左右手動移動控制、原地旋轉控制以及運動速度設置。步驟5.6：將路徑的起始點、長度、方向以及貝塞爾曲線的控制點信息存儲至數據庫中，同時也將停靠點坐標信息等存儲至數據庫中。再進一步的，步驟5.4中，客戶端接收到用戶所選的點P(x0,y0)后，計算該點到各直線路徑的距離值，取最小距離值，若該距離值d1小于一定的閾值β1，則將該距離值對應的直線路徑作為所選路徑；點到直線的距離計算公式如下：其中，公式中的直線路徑的方程為Ax+By+C＝0；選定路徑后，進行添加停靠點的操作，客戶端接收到用戶所選的停靠點Q(x1,y1)后，通過上述距離公式計算Q點到所選路徑的距離d2，若d2小于一定的閾值β2，則將Q點作為停靠點。所述的數據庫中創建有路徑信息數據表和停靠點信息數據表，路徑信息數據表中包含路徑起止點、直線路徑長度、直線路徑方向、曲線路徑控制點信息；停靠點信息數據表中包含停靠點坐標、所停靠的路徑信息。本專利技術數據采集操作簡單，且無需預先了解環境結構空間，也無需額外鋪設地標，成本低廉、地圖創建速度快精度高，可實現移動機器人在未知環境下地圖的多次創建和快速更新。附圖說明圖1為本專利技術的移動機器人的結構框架圖；圖2為本專利技術實施例中加載數據幀后的示意圖；圖3為本專利技術實施例中拼接效果示意圖；圖4為本專利技術實施例中添加的直線路徑示意圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本專利技術做進一步闡述，以便更好的理解本專利技術。本專利技術的技術特征在沒有沖突的情況下，均可進行相互組合。如圖1所示，本專利技術的移動機器人內置工控機、解算板、激光傳感器和里程計，工控機與解算板通過RS232串口進行通信。工控機通過wifi與客戶端進行遠程通信。客戶端可采用PC機、服務器等形式實現。本實施方式中，基于激光數據的移動機器人點云地圖創建方法，包括如下步驟和子步驟：步驟1：移動機器人與客戶端之間建立實時通信和數據傳輸。具體子步驟：步驟1.1：移動機器人與客戶端連接于同一個局域網，并基于UDP連接實現實時通信；步驟1.2：移動機器本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于激光數據的移動機器人點云地圖創建方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1：移動機器人與客戶端之間建立實時通信和數據傳輸；步驟2：激光傳感器和里程計隨移動機器人的運動采集外部環境數據并傳輸至工控機，生成本地數據文件；步驟3：針對本地數據文件，對其已存儲的數據進行預處理，刪除匹配度低于閾值的數據幀；步驟4：根據預先采集的激光和里程計信息進行離線計算，形成機器人所在環境的二維點云地圖。

【技術特征摘要】
1.一種基于激光數據的移動機器人點云地圖創建方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1：移動機器人與客戶端之間建立實時通信和數據傳輸；步驟2：激光傳感器和里程計隨移動機器人的運動采集外部環境數據并傳輸至工控機，生成本地數據文件；步驟3：針對本地數據文件，對其已存儲的數據進行預處理，刪除匹配度低于閾值的數據幀；步驟4：根據預先采集的激光和里程計信息進行離線計算，形成機器人所在環境的二維點云地圖。2.如權利要求1所述的基于激光數據的移動機器人點云地圖創建方法，其特征在于，基于步驟1的具體過程為：步驟1.1：移動機器人與客戶端連接于同一個局域網，并基于UDP連接實現實時通信；步驟1.2：移動機器人上搭載的工控機與解算板通過RS232串口進行通信，工控機與激光傳感器通過TCP/IP連接進行數據傳輸。3.如權利要求1所述的基于激光數據的移動機器人點云地圖創建方法，其特征在于，基于步驟2的具體過程為：步驟2.1：激光傳感器以一定的頻率和角度范圍平面掃描外部環境，獲取激光傳感器所在位置與周邊環境間的距離數據，并實時傳輸至工控機；步驟2.2：里程計隨著機器人的平面運動實時記錄機器人的位置和姿態信息，同時傳輸至工控機；位置信息包括X、Y軸坐標值，姿態信息包括旋轉角度值；步驟2.3：工控機將接收到的激光掃描數據和位置姿態信息存儲于本地，生成本地數據文件。4.如權利要求1所述的基于激光數據的移動機器人點云地圖創建方法，其特征在于，基于步驟3的具體過程為：步驟3.1：針對本地數據文件，從數據幀首幀開始，采用迭代最近點算法分別匹配相鄰兩幀數據，并獲得相鄰兩數據幀的匹配度值；步驟3.2：設定匹配度閾值，刪除匹配度低于閾值的數據幀，保留匹配度不低于閾值的數據幀；步驟3.3：將所保留的數據幀重新輸出至本地文件進行存儲。5.如權利要求4所述的基于激光數據的移動機器人點云地圖創建方法，其特征在于，基于步驟4的具體過程為：步驟4.1：將步驟3.3中存儲的本地數據文件中各數據幀以點云圖的形式顯示；步驟4.2：選擇該本地數據文件中待拼接的數據幀的范圍為第p幀至第q幀，其中q-p>＝0；步驟4.3...

【專利技術屬性】
技術研發人員：于慧敏，奚婉，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：浙江,33