基於虛擬掃描與測距匹配的AGV雷射SLAM方法與流程

2023-10-06 15:35:34 3

本發明涉及移動機器人導航定位，尤其是涉及到一種基於2d雷射雷達的無軌導航agv機器人的slam(同時定位與地圖構建)方法。

背景技術：

同時定位與地圖構建(或並發建圖與定位)(simultaneouslocalizationandmapping，slam)，是一種實現真正全自主移動機器人的關鍵技術。傳統的agv(automatedguidedvehicle)導航主要有磁條導引、磁釘導引、色帶或二維碼導引等，雖然簡單易行、路徑跟蹤可靠性好，但均屬於固定路徑引導方式、靈活性和柔性差。新的雷射導航方式無需固定路線導引，在應用時具有更高的柔性，但目前雷射導航方法大多數是採用反射板和三角定位原理進行的，依然存在前期施工及標定問題，其靈活性和柔性受到限制，基於slam的雷射導航是agv的重要發展趨勢之一。

目前基於雷射傳感器的slam多數使用濾波器方法、概率方法、最小二乘法、以及圖優化等，如常用的gmapping、hectorslam、kartoslam等算法，擁有較小的誤差和較低的計算量，在室內移動機器人中得到了一定應用，但濾波、估計、優化的穩定性以及定位精度無法絕對保證(這些方法多數針對的是低成本低精度的雷射測距傳感器)，在工業agv機器人中的適用性還有待驗證。使用輪廓外形匹配的方法相對於其他方法而言，物理意義更明確，符合人的思維方式，在保證agv導航定位的穩定性和精度上具有很好的可行性。

參考文獻：

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技術實現要素：
：

本發明的目的在於針對現有雷射slam算法多數針對低精度傳感器，其濾波、估計、優化的穩定性以及定位精度無法絕對保證，難以達到工業agv機器人應用要求的問題，提供基於虛擬掃描與測距匹配的agv雷射slam方法。

本發明包括以下步驟：

1)柵格地圖表示與創建方法；

在步驟1)中，所述柵格地圖表示與創建方法的具體方法可為：採用柵格表示地圖m，每個柵格為正方形，其長寬為δ(δ≤定位精度指標)，對於某個柵格mi為障礙時，定義其標誌位si＝1(為非障礙時si＝-1、不確定時si＝0)，其列行編號為(xi,yi)，柵格地圖m表示為：

m＝{m1(x1,y1,s1),m2(x2,y2,s2),...,mi(xi,yi,si),...,mn(xn,yn,sn)}(1)

使用2d雷射雷達(lidar)進行掃描測距(最大測距範圍為dmax)，得到一幀測距數據為{d1,d2,...,di,...,dn}，對於其中某一方向的測距di，其相對於雷射雷達的角度為θi，定義其標誌位為ai(若di<dmax，則令ai＝1；否則ai＝-1)；雷射雷達總的一幀測距數據l表示為：

l＝{l1(d1,θ1,a1),l2(d2,θ2,a2),...,li(di,θi,ai),...,ln(dn,θn,an)}(2)

agv機器人採用2d雷射雷達進行導航，假設雷射雷達的位姿即為機器人的位姿，xr、yr表示位置坐標，θr表示方向角，在已知雷射雷達位姿情況下，則可以把當前的測距數據l映射到柵格地圖m當中，其中m為增量式構建地圖，對於l中的li，其對應的柵格mi為：

若ai＝1，取柵格標誌位si(xi,yi)＝1；以δ為單位長度(或更小)把線段di等分，採用同樣的方法計算各等分點對應的柵格並令其標誌位為-1(即線段di穿過的柵格為非障礙點，標誌位為-1)。

2)虛擬掃描與匹配定位方法；

在步驟2)中，所述虛擬掃描與匹配定位方法的具體方法可為：agv機器人每運行一步後，通過雷射雷達獲得當前的測距數據l，再結合之前建立的柵格地圖m，進行當前位姿的估算(即定位)：

(1)虛擬雷射雷達(vlidar)掃描：

採用局部遍歷的方式，先設置一定的位置和角度遍歷範圍ω，在所有的遍歷位姿(假設為可能的雷射雷達位姿)，模擬雷射雷達，逐一對地圖m進行虛擬掃描；在某一遍歷位姿(vxi,vyi,vθi)，獲得虛擬掃描數據li如下：

li＝{vli1(vdi1,vθi1,vai1),...,vlij(vdij,vθij,vaij),...,vlin(vdin,vθin,vain)}(4)

在虛擬掃描的vθi1方向獲得測距vdi1(若vdi1<dmax，則令vai1＝1；否則vai1＝-1)；在vθi2方向獲得測距vdi2(若vdi2<dmax，則令vai2＝1；否則vai2＝-1)；...；在vθin方向獲得測距vdin(若vdindmax則同樣停止推進)，此時起始點(vxi,vyi)到該柵格的推進距離即為vdij(若vdij<dmax，則令vaij＝1；否則vaij＝-1)；

遍歷方式：逐一遍歷ω中的每個柵格點，遍歷到每個柵格點時再逐一遍歷每個角度值。例如，若ω的位置範圍為10×10＝100個柵格，角度範圍為5°/0.1°＝50個角度值，則總的遍歷次數為100×50＝5000＝k，遍歷完後獲得k個虛擬掃描數據vss(ω)＝{l1,l2,...,li,...,lk}；

(2)基於測距的輪廓匹配：

採用基於測距的輪廓匹配方式進行定位，將vss(ω)中所有的虛擬掃描數據與當前的真實測距數據l進行比較，找出與l的測距數據最接近的虛擬掃描數據l*，即：

其中dmin≥0，根據具體應用環境來設定；l*所在的遍歷位姿(vx*,vy*,vθ*)即為雷射雷達當前位姿的最優估計值，即：

xr＝vx*,yr＝vy*,θr＝vθ*(6)

3)提高算法實時性的方法。

在步驟3)中，所述提高算法實時性的方法的具體方法可為：基於虛擬掃描與測距匹配的slam方法可先用於離線建圖，然後用於agv機器人工作時的即時定位，其中，虛擬雷射雷達掃描的計算量最大，每次遍歷時都需要模擬雷射雷達在其n個掃描方向上進行推進測距，採取以下措施：

(1)採用多gpu並行處理方式，每個gpu運行一個掃描方向上模擬測距的推進測距算法；

(2)對於第i個掃描方向，改變虛擬測距方向vθi上的初始推進位置，從小於真實測距離di的某個位置開始(即不從遍歷位置開始)，推進時遇到障礙柵格或到距離大於di的某個位置則停止推進。

所述虛擬掃描方向vθi對應的gpu推進測距算法如下：

算法輸入：遍歷位姿(vx,vy,vθ)，地圖m，雷射測距l

算法輸出：虛擬掃描方向上的測距vdi，標誌位vai

本發明採用輪廓外形遍歷匹配的原理，在每一遍歷位姿採用虛擬雷射雷達對地圖進行掃描，然後虛擬掃描的數據與當前雷射雷達的數據直接進行比較，找出agv機器人的最優位姿信息，再增量式構建地圖。本發明基於虛擬掃描與測距匹配的agv雷射slam方法，涉及一種應用於agv機器人導航的同時定位與地圖構建方法。主要包括一個柵格地圖表示與創建步驟；一個虛擬掃描與匹配定位步驟；一種提高虛擬掃描實時性的措施和算法實現。針對現有雷射slam算法多數針對低精度傳感器，其濾波、估計、優化的穩定性以及定位精度無法絕對保證，難以達到工業agv機器人應用要求的問題，提供了一種適合高精度雷射雷達的slam方法。該方法採用輪廓外形遍歷匹配的原理，在每一遍歷位姿採用虛擬雷射雷達對地圖進行掃描，然後虛擬測距數據與當前雷射雷達的測距數據直接進行比較，找出agv機器人的最優位姿信息，再增量式構建地圖；其中可通過採用多gpu並行處理和改變虛擬測距的初始推進位置，提高該slam方法的實時性。因此，解決了採用反射板和三角定位原理進行導航存在的前期施工及標定問題，為提高agv與其他移動機器人的靈活性和柔性，提供了一種簡單可靠和有精度保證的可行slam方法。

附圖說明

圖1為柵格地圖表示與創建方法示意圖。

圖2為虛擬雷射雷達(vlidar)掃描方法示意圖。

圖3為基於虛擬掃描與測距匹配的slam方法組成框圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式進行說明。

實施例1：本發明基於虛擬掃描與測距匹配的slam方法用於離線建圖，具體實施的操作過程如下。

step1：採用遙控或其他人工操作方式，控制agv機器人在工作環境中行走一遍，雷射雷達採集並保存所有時刻(t0至tend)的測距信息{d1,d2,...,dn}|t0、{d1,d2,...,dn}|t1、...、{d1,d2,...,dn}|tend。

step2：採用合適的數據格式和文件，定義如式(1)所示的柵格地圖m，並進行初始化。

step3：從t0開始時刻到tend結束時刻，利用測距信息構建地圖，步驟如下。

step3.1：對於初始時刻t0，雷射雷達的初始位姿已知，根據式(2)把{d1,d2,...,dn}|t0轉換為lt0，然後根據式(3)將lt0映射到柵格地圖m當中；

step3.2：對於時刻t1，①雷射雷達的當前位姿未知，先根據式(2)把{d1,d2,...,dn}|t1轉換為lt1，在遍歷範圍ω中逐一模擬雷射雷達進行掃描，得到虛擬掃描數據vss(ω)＝{l1,l2,...,li,...,lk}(其li的格式如式(4)所示)，然後與lt1進行比較，根據式(5)找出與lt1最接近的虛擬掃描數據l*；②根據l*和式(6)獲得雷射雷達t1時刻的位姿，進而根據式(3)將lt1映射到柵格地圖m當中；

step3.3：對於時刻t2，定位和建圖過程與step3.2類似；

...(依此一直往下進行，直到時刻tend，則建圖結束)

實施例2：在離線建圖後，本發明用於有地圖的agv機器人實時定位，具體實施的操作過程如下。

step1：在當前時刻，雷射雷達獲得測距信息{d1,d2,...,dn}，根據式(2)把{d1,d2,...,dn}轉換為l。

step2：在遍歷範圍ω中的每一位姿，模擬雷射雷達對地圖m進行掃描(採用多gpu並行處理和推進測距算法，每個gpu對應一個雷射掃描方向)，得到虛擬掃描數據vss(ω)＝{l1,l2,...,li,...,lk}。

step3：將數據vss(ω)＝{l1,l2,...,li,...,lk}與l進行比較，根據式(5)找出與l最接近的虛擬掃描數據l*；

step4：根據l*和式(6)獲得雷射雷達當前時刻的位姿估計值(即定位)。

實施例3：本發明基於虛擬掃描與測距匹配的slam方法直接用於實時並發建圖與定位，具體實施的操作過程如下。

step1：採用合適的數據格式和文件，定義如式(1)所示的柵格地圖m，並進行初始化。

step2：對於初始時刻t0，雷射雷達的初始位姿已知，根據式(2)把測距{d1,d2,...,dn}|t0轉換為lt0，然後根據式(3)將lt0映射到柵格地圖m當中；

step3：在下一個當前時刻，雷射雷達獲得測距信息{d1,d2,...,dn}，根據式(2)把{d1,d2,...,dn}轉換為l。

step4：在遍歷範圍ω中的每一位姿，模擬雷射雷達對地圖m進行掃描(採用多gpu並行處理和推進測距算法，每個gpu對應一個雷射掃描方向)，得到所有虛擬掃描數據vss(ω)＝{l1,l2,...,li,...,lk}。

step5：將數據vss(ω)＝{l1,l2,...,li,...,lk}與l進行比較，根據式(5)找出與l最接近的虛擬掃描數據l*；

step6：根據l*和式(6)獲得雷射雷達當前時刻的位姿估計值(即定位)；

step7：雷射雷達的位姿估計值已知，根據式(3)將l映射到柵格地圖m當中；返回到step3。

以上實施例中，柵格地圖表示與創建方法的如圖1所示，虛擬雷射雷達掃描方法的原理如圖2所示，步驟之間的邏輯關係如圖3所示。