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基于AprilTag码视觉辅助定位的移动机器人激光SLAM方法、系统、介质及设备

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成果类型:
专利
发明/设计人:
张辉;韦玉海;刘理;钟杭;易俊飞;...
申请/专利权人:
长沙理工大学
专利类型:
发明专利
语种:
中文
申请时间:
2020-06-27
申请/专利号:
CN202010595256.7
公开时间:
2020-10-13
公开号:
CN111766603A
主申请人地址:
410114 湖南省长沙市天心区万家丽南路2段960号
申请地区:
湖南
机构署名:
本校为第一完成单位
主权项:
1.一种基于AprilTag码视觉辅助定位的移动机器人激光SLAM方法,其特征在于,包括以下步骤: 步骤一、在环境空间中的目标物体上张贴AprilTag码,AprilTag码与移动机器人的相机单元在同一水平线上呈平行设置; 所述移动机器人的底盘中心设置有IMU单元,移动机器人底盘中心线两侧均设有连接在一起的驱动轮、无刷直流电机和编码器,移动机器人沿前进方向的中心线两端设置有支撑轮,沿机器人前进方向的底盘上方固定相机单元,且沿相机单元坐标系的y轴方向,移动机器人的前进端的支撑轮上方设置激光雷达传感器; 步骤二、记录初始时刻时移动机器人的初始位姿为R0(0,0,0)以及AprilTag码的初始位姿; 步骤三、依据t时刻相机单元采集到的AprilTag码的位姿,获得AprilTag码的偏差位姿ΔAt(ΔXAt,ΔYAt,ΔβAt); 步骤四、利用AprilTag码的偏差位姿,获得移动机器人t时刻的偏差位姿ΔRt(ΔXRt,ΔYRt,ΔβRt),并对移动机器人的t时刻位姿信息进行校正; 所述移动机器人当前的偏差位姿如下: 其中,(XRt,YRt,βRt)表示移动机器人t时刻的位姿,通过里程计计算获得; 步骤五、将修正的里程计位姿信息通过ROS机器人操作系统的节点进行发布出去,由SLAM定位与建图功能包订阅里程计位姿信息,通过激光雷达传感器和里程计单元对环境空间进行地图构建,直到移动机器人将所在的环境空间地图构建完毕。 2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,当移动机器人上的相机单元在t时刻采集到一张AprilTag码的位姿时,所述AprilTag码的偏差位姿ΔAt(ΔXAt,ΔYAt,ΔβAt)按以下公式计算: 其中,(XAt,YAt,βAt)表示移动机器人上的相机单元在t时刻采集到的AprilTag码的位姿,(XA0,YA0,βA0)表示AprilTag码的初始位姿。 3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,当移动机器人上的相机单元在t时刻采集到两张AprilTag码的位姿时,所述AprilTag码的偏差位姿ΔAt(ΔXAt,ΔYAt,ΔβAt)按以下公式计算: 其中,(ΔXA1t,ΔYA1t,ΔβA1t)和(ΔXA2t,ΔYA2t,ΔβA2t)分别为第一张和第二张AprilTag码的偏差位姿,每张AprilTag码的偏差位姿均为当前时刻采集的位姿与初始时刻采集的位姿差值。 4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在移动机器人进行环境空间地图构建过程中,移动机器人的线速度设置为在1m/s、角速度设置为0.2rad/s。 5.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述相机单元为深度相机,所述相机单元通过USB串口与微型计算机相连接。 6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤五中,所述激光雷达传感器为单线激光雷达传感器,所述激光雷达传感器通过USB串口转RS422模块与微型计算机相连接,激光雷达传感器实时扫描障碍物在全局坐标系中的位置,通过ROS系统构建二维栅格地图。 7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的移动机器人的里程计算单元计算得到的t时刻移动机器人的位姿信息Rt(Xt,Yt,βt)所采用的计算公式为: 其中,Xt,Yt,βt分别为t时刻移动机器人在世界坐标系的二维坐标和移动机器人朝向角度,Xt-1,Yt-1,βt-1分别为t-1时刻移动机器人在世界坐标系的二维坐标和移动机器人朝向角度,rt,lt分别为t-1到t时刻移动机器人左右轮的移动距离,B为左右轮的中心距,r为移动半径。 8.一种基于AprilTag码视觉辅助定位的移动机器人激光SLAM系统,其特征在于,包括以下步骤: 移动机器人设置单元:移动机器人的底盘中心设置有IMU单元,移动机器人底盘中心线两侧均设有连接在一起的驱动轮、无刷直流电机和编码器,移动机器人沿前进方向的中心线两端设置有支撑轮,沿机器人前进方向的底盘上方固定相机单元,且沿相机单元坐标系的y轴方向,移动机器人的前进端的支撑轮上方设置激光雷达传感器; AprilTag码设置单元:通过在环境空间中的目标物体上张贴AprilTag码,并使得AprilTag码与移动机器人的相机单元在同一水平线上呈平行设置; 初始位姿记录单元:记录初始时刻时移动机器人的初始位姿以及AprilTag码的初始位姿; AprilTag码的偏差位姿获取单元:依据t时刻相机单元采集到的AprilTag码的位姿,获得AprilTag码的偏差位姿ΔAt(ΔXAt,ΔYAt,ΔβAt); 移动机器人位姿校正单元:利用AprilTag码的偏差位姿,获得移动机器人t时刻的偏差位姿ΔRt(ΔXRt,ΔYRt,ΔβRt),并对移动机器人的t时刻位姿信息进行校正; 所述移动机器人当前的偏差位姿如下: 其中,(XRt,YRt,βRt)表示移动机器人t时刻的位姿,通过里程计计算获得; SLAM创建单元:将校正后的移动机器人位姿信息通过ROS机器人操作系统的节点进行发布出去,由SLAM定位与建图功能包订阅里程计位姿信息,并通过激光雷达传感器和里程计单元对环境空间进行地图构建,直到移动机器人将所在的环境空间地图构建完毕。 9.一种计算机可读存储介质,包括计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一项所述的一种基于AprilTag码视觉辅助定位的移动机器人激光SLAM方法。 10.一种基于AprilTag码视觉辅助定位的移动机器人激光SLAM设备,包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述程序时,以使所述基于AprilTag码视觉辅助定位的移动机器人激光SLAM设备实现如权利要求1-7任一项所述的一种基于AprilTag码视觉辅助定位的移动机器人激光SLAM方法。
摘要:
本发明公开了一种基于AprilTag码视觉辅助定位的移动机器人激光SLAM方法、系统、介质及设备,在移动机器人搭载的视觉相机同一水平线上的障碍物表面打上AprilTag码,移动机器人在定位与地图构建过程中,通过视觉单元实时采集一定距离内的AprilTag码图像,然后搭载在移动机器人内部的微型计算机实时计算移动机器人在地图构建过程中的位姿信息,从而确定移动机器人的视觉偏移量。该方法有利于移动机器人在环境中长时间的建图,减少移动机器人的里程计误差积累,提高移动机器人的建图精度。

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