本實(shí)用新型涉及機(jī)器人定位與導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種激光掃描儀定位導(dǎo)航系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)器人定位方法已難以滿足機(jī)器人快速精準(zhǔn)的定位需求?；诩す鈷呙鑳x的定位與導(dǎo)航方法雖然能實(shí)現(xiàn)精確地定位，但是運(yùn)算復(fù)雜度高，特別是在空曠的環(huán)境中，由于沒有障礙物作為反射體生成點(diǎn)云，空曠環(huán)境下難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的即時(shí)定位與地圖生成?；贗MU的定位與導(dǎo)航能夠獲取準(zhǔn)確的機(jī)器人位置與姿態(tài)參數(shù)，但是在長(zhǎng)距離定位的時(shí)候容易造成誤差累積。采用IMU與激光掃描儀在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)較為準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)定位與制圖效果，但是在長(zhǎng)距離定位與導(dǎo)航時(shí)依然存在累積誤差與航向偏移，特別是在機(jī)器人初始位置的確定上，傳統(tǒng)的導(dǎo)航與定位方式難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的初始位置的確定。然而基于視覺的定位方式可以有效解決定位與導(dǎo)航中的誤差積累，并且在一定程度上能有效解決初始位置的確定，但是基于視覺的定位方式精度受到極大限制，定位精度難以達(dá)到IMU與激光掃描儀的定位精度，并且受到環(huán)境光照條件影響較大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，提供了一種激光掃描儀定位導(dǎo)航系統(tǒng)，采用6相機(jī)360°全景構(gòu)架，在機(jī)器人采用IMU、激光掃描儀對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行建圖的同時(shí)，采集周圍環(huán)境 360°全景圖像，并記錄圖像采集時(shí)刻機(jī)器人的位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)，生成帶定位信息的全景圖像序列與激光掃描儀構(gòu)建的地圖進(jìn)行融合，生成帶視覺標(biāo)記的融合地圖。采用帶視覺標(biāo)記的融合地圖對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位與導(dǎo)航。
為解決上述問題，本實(shí)用新型提出一種激光掃描儀定位導(dǎo)航系統(tǒng)，包括：六個(gè)模擬相機(jī)模組、相機(jī)固定架、六路圖像采集卡、六個(gè)鏡頭、電源、主機(jī)、IMU模塊、Arduino板、激光掃描儀，所述模擬相機(jī)模組呈環(huán)形排列并固定設(shè)置在所述相機(jī)固定架上，所述六路圖像采集卡分別與所述六個(gè)模擬相機(jī)模組電性相連，所述六個(gè)鏡頭分別固定在所述六個(gè)模擬相機(jī)模組上，所述電源與六個(gè)模擬相機(jī)模組均電性相連，所述主機(jī)上安裝有圖像采集卡驅(qū)動(dòng)，圖像采集卡驅(qū)動(dòng)輸出端連接所述圖像采集卡，所述圖像采集卡設(shè)置有配套的SDK 開發(fā)接口，所述SDK開發(fā)接口的輸入端連接模擬相機(jī)模組的輸出端，所述IMU模塊與Arduino板相連，所述Arduino板與主機(jī)相連，所述激光掃描儀與主機(jī)相連。
在上述技術(shù)方案中，所述模擬相機(jī)模組采用索尼super hard 1/3 英寸CCD，額定電壓為12V，額定電流為50mA，有效像素為 720(H)*576(V)。
在上述技術(shù)方案中，所述電源的輸出電壓為12V，輸出電流為 1A。
在上述技術(shù)方案中，所述主機(jī)的CPU為酷睿雙核或以上，內(nèi)存等于或大于2G，硬盤等于或大于256G，主機(jī)的系統(tǒng)為Windows 10、windows7以及windows xp中的任意一種。
在上述技術(shù)方案中，所述相機(jī)固定架包括六個(gè)環(huán)形分布的固定板，相鄰固定板固定相連且呈120°夾角，所述固定板的中心均設(shè)置有一相機(jī)安裝孔。
在上述技術(shù)方案中，所述相機(jī)固定架采用3D打印機(jī)打印。
在上述技術(shù)方案中，所述IMU模塊硬件組成包括MPU6050芯片集成3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)、3軸HMC5883L地磁傳感器、 BPM180氣壓高度計(jì)以及STM32F103T832-bit ARM CortexM3處理器，所述IMU模塊額定電壓為5V，額定電流為40mA,數(shù)據(jù)更新頻率最高為60hz，IMU模塊硬件預(yù)寫各芯片的驅(qū)動(dòng)和姿態(tài)結(jié)算程序，上位機(jī)通過(guò)串口直接獲取當(dāng)前模塊的俯仰、橫滾、航向、氣壓高度及溫度數(shù)據(jù)。
在上述技術(shù)方案中，所述Arduino板型號(hào)為Mega2560，采用USB 接口的核心電路板，具有54路數(shù)字輸入輸出，Arduino Mega2560 的處理器核心是ATmega2560，同時(shí)具有54路數(shù)字輸入/輸出口，其中16路作為PWM輸出，16路模擬輸入，4路UART接口，一個(gè)16MHz 晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕，其工作電壓為5V。
在上述技術(shù)方案中，所述激光掃描儀采用北洋公司的UST-10LX 激光掃描儀，UST-10LX掃描距離為10m，掃描廣角270°，工作電壓為DC12V/24V，單圈掃描時(shí)間25msec，測(cè)距精度為±40mm，角度分辨率為0.25，防護(hù)等級(jí)為IP65，上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)口讀取掃描數(shù)據(jù)。
本實(shí)用新型的激光掃描儀定位導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位的方法，包括以下步驟：
步驟S1、通過(guò)IMU獲取機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的位置與姿態(tài)參數(shù)，融合激光掃描儀采集的周圍環(huán)境的三維點(diǎn)云信息，創(chuàng)建周圍環(huán)境地圖；
步驟S2、通過(guò)全景相機(jī)獲取以環(huán)形框架為中心的360°環(huán)境圖像，其圖像與機(jī)器人定位信息進(jìn)行綁定，與激光掃描儀生成地圖融合生成帶視覺標(biāo)記的地圖；
步驟S3、利用融合生成的帶視覺標(biāo)記的地圖對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位于導(dǎo)航；
上述技術(shù)方案中，所述步驟一具體包括以下子步驟：
子步驟S11、根據(jù)IMU所獲取的數(shù)據(jù)，利用航跡推算算法解算出機(jī)器人當(dāng)前的位置和姿態(tài)參數(shù)；
子步驟S12、利用激光傳感器所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)表征探測(cè)環(huán)境中障礙物的空間分布；
子步驟S13、采用Rao-Blackwellized濾波、卡爾曼濾波或擴(kuò)展性卡爾曼濾波等濾波算法進(jìn)行并發(fā)定位與制圖解算，實(shí)時(shí)生成增量式地圖；
所述步驟二具體包括以下子步驟：
子步驟S21、首先采用全景相機(jī)保存當(dāng)前圖像，并記錄當(dāng)前圖像保存時(shí)刻機(jī)器人的位置與姿態(tài)信息；
子步驟S22、在后臺(tái)對(duì)圖像幀提取SIFT特征及特征描述，作為融合地圖的視覺標(biāo)記；
子步驟S23、對(duì)圖像幀提取的SIFT特征以及對(duì)應(yīng)的圖像拍攝時(shí)機(jī)器人的位置姿態(tài)信息建立索引；
所述步驟三具體包括以下子步驟：
子步驟S31、首先獲取全景相機(jī)圖像，對(duì)圖像進(jìn)行SIFT特征提取及描述；
子步驟S32、在步驟S23中生成的索引進(jìn)行檢索，匹配對(duì)應(yīng)的SIFT特征，獲得檢索得到的機(jī)器人位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)；
子步驟S33、利用激光掃描儀獲取的周圍場(chǎng)景的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與生成的地圖進(jìn)行ICP匹配，獲得機(jī)器人的位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)；
子步驟S34、利用步驟S32獲取檢索的地圖中機(jī)器人位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)與步驟S33中激光掃描儀的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲取準(zhǔn)確的機(jī)器人位置與姿態(tài)參數(shù)。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)方案相比具有以下有益效果和優(yōu)點(diǎn)：
本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人較為準(zhǔn)確的初始位置確定，在激光掃描儀生成的地圖中融合視覺標(biāo)記，增強(qiáng)了地圖信息，有效降低了 IMU、激光掃描儀累積誤差，提高了機(jī)器人的定位與導(dǎo)航精度。同時(shí)有效記錄了機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中各個(gè)位置點(diǎn)的周圍環(huán)境的全景圖像，充當(dāng)高精度機(jī)器人行進(jìn)記錄儀，有助于排查和解決機(jī)器人行徑過(guò)程中出現(xiàn)的問題。
附圖說(shuō)明
圖1是本實(shí)用新型中相機(jī)固定架的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中編號(hào)說(shuō)明：1、固定板；2、安裝孔。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：
本實(shí)施例中，本實(shí)用新型提出的高清多相機(jī)全景立體成像系統(tǒng)，包括：六個(gè)模擬相機(jī)模組、相機(jī)固定架、六路圖像采集卡、六個(gè)鏡頭、電源、主機(jī)、服務(wù)器、客戶端，模擬相機(jī)模組呈環(huán)形排列構(gòu)架在相機(jī)固定架上，圖像采集卡分別與模擬相機(jī)模組電性相連，鏡頭分別固定在模擬相機(jī)模組上，電源與模擬相機(jī)模組均電性相連，主機(jī)上安裝有圖像采集卡驅(qū)動(dòng)，采用圖像采集卡配套的SDK 開發(fā)接口，編程同步獲取六個(gè)模擬相機(jī)模組的采集圖像，主機(jī)與服務(wù)器相連，服務(wù)器與客戶端相連。
模擬相機(jī)模組采用索尼super hard 1/3英寸CCD，額定電壓為 12V，額定電流為50mA，有效像素為720(H)*576(V)。
電源的輸出電壓為12V，輸出電流為1A。
主機(jī)的CPU為酷睿雙核或以上，內(nèi)存等于或大于2G，硬盤等于或大于256G，主機(jī)的系統(tǒng)為Windows 10、windows7以及 windows xp中的任意一種。
相機(jī)固定架包括六個(gè)環(huán)形分布的固定板1，相鄰固定板1之間呈120°固定相連，固定板1的中心均設(shè)置有一相機(jī)安裝孔2。
相機(jī)固定架采用3D打印機(jī)打印。
IMU模塊硬件組成包括MPU6050集成3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)、3軸HMC5883L地磁傳感器、BPM180氣壓高度計(jì)以及 STM32F103T832-bit ARM CortexM3處理器。模塊額定電壓為5V，額定電流為40mA,數(shù)據(jù)更新頻率最高可達(dá)60hz。硬件內(nèi)部預(yù)寫各芯片的驅(qū)動(dòng)和姿態(tài)結(jié)算程序，上位機(jī)可通過(guò)串口直接獲取當(dāng)前模塊的俯仰、橫滾、航向、氣壓高度及溫度數(shù)據(jù)。
Arduino板型號(hào)為Mega2560，采用USB接口的核心電路板，具有多達(dá)54路數(shù)字輸入輸出，特別適合需要大量IO接口的設(shè)計(jì)。 Arduino Mega2560的處理器核心是ATmega2560，同時(shí)具有54路數(shù)字輸入/輸出口(其中16路可作為PWM輸出)，16路模擬輸入， 4路UART接口，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕，其工作電壓為5V。
激光掃描儀采用北洋公司的UST-10LX激光掃描儀。 UST-10LX掃描距離為10m，掃描廣角270°。工作電壓為 DC12V/24V。單圈掃描時(shí)間25msec，測(cè)距精度為±40mm，角度分辨率為0.25，防護(hù)等級(jí)為IP65。上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)口讀取掃描數(shù)據(jù)。
通過(guò)全景相機(jī)獲取以環(huán)形框架為中心的360°環(huán)境圖像，采用 IMU模塊、激光掃描儀生成周圍環(huán)境地圖，記錄機(jī)器人各個(gè)位置與姿態(tài)處的周圍環(huán)境360°全景圖像，構(gòu)建融合視覺標(biāo)記的環(huán)境地圖，用于機(jī)器人的定位與導(dǎo)航；在機(jī)器人定位與導(dǎo)航時(shí)，首先通過(guò)全景相機(jī)拍攝環(huán)境的全景圖像進(jìn)行視覺標(biāo)記檢索識(shí)別，獲得初始定位信息，然后融合激光掃描儀的定位信息做出更加精確的導(dǎo)航與定位。
本實(shí)用新型提出的全景相機(jī)融合IMU、激光掃描儀定位與導(dǎo)航方法，包括以下步驟：
步驟S1、通過(guò)IMU獲取機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的位置與姿態(tài)參數(shù)，融合激光掃描儀采集的周圍環(huán)境的三維點(diǎn)云信息，創(chuàng)建周圍環(huán)境地圖；
步驟S2、通過(guò)全景相機(jī)獲取以環(huán)形框架為中心的360°環(huán)境圖像，其圖像與機(jī)器人定位信息進(jìn)行綁定，與激光掃描儀生成地圖融合生成帶視覺標(biāo)記的地圖；
步驟S3、利用融合生成的帶視覺標(biāo)記的地圖對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位于導(dǎo)航；
上述技術(shù)方案中，所述步驟一具體包括以下子步驟：
子步驟S11、根據(jù)IMU所獲取的數(shù)據(jù)，利用航跡推算算法解算出機(jī)器人當(dāng)前的位置和姿態(tài)參數(shù)；
子步驟S12、利用激光傳感器所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)表征探測(cè)環(huán)境中障礙物的空間分布；
子步驟S13、采用Rao-Blackwellized濾波、卡爾曼濾波或擴(kuò)展性卡爾曼濾波等濾波算法進(jìn)行并發(fā)定位與制圖解算，實(shí)時(shí)生成增量式地圖；
所述步驟二具體包括以下子步驟：
子步驟S21、首先采用全景相機(jī)保存當(dāng)前圖像，并記錄當(dāng)前圖像保存時(shí)刻機(jī)器人的位置與姿態(tài)信息；
子步驟S22、在后臺(tái)對(duì)圖像幀提取SIFT特征及特征描述，作為融合地圖的視覺標(biāo)記；
子步驟S23、對(duì)圖像幀提取的SIFT特征以及對(duì)應(yīng)的圖像拍攝時(shí)機(jī)器人的位置姿態(tài)信息建立索引；
所述步驟三具體包括以下子步驟：
子步驟S31、首先獲取全景相機(jī)圖像，對(duì)圖像進(jìn)行SIFT特征提取及描述；
子步驟S32、在步驟S23中生成的索引進(jìn)行檢索，匹配對(duì)應(yīng)的 SIFT特征，獲得檢索得到的機(jī)器人位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)；
子步驟S33、利用激光掃描儀獲取的周圍場(chǎng)景的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與生成的地圖進(jìn)行ICP匹配，獲得機(jī)器人的位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)；
子步驟S34、利用步驟S32獲取檢索的地圖中機(jī)器人位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)與步驟S33中激光掃描儀的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲取準(zhǔn)確的機(jī)器人位置與姿態(tài)參數(shù)。
本實(shí)用新型不僅能夠獲得較為準(zhǔn)確的初始定位信息，而且有效消減IMU模塊與激光掃描儀的累積定位誤差，較大程度上提高了機(jī)器人的定位與導(dǎo)航精度。不僅如此，保存的全景圖像包含機(jī)器人的位置與姿態(tài)信息，可作為機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中精確地圖像記錄數(shù)據(jù)，用于機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中問題排查與解決。
最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍中。