基于激光测距传感器的移动机器人环境建模
基于激光测距传感器的移动机器人环境建模
作者:翁星;王博文;耿宏杰
机器人的环境模型建立是移动机器人研究的重要基础领域,对移动机器人的路径规划至关重要,环境模型的准确程度对路径规划的精度和避障效果影响很大。按照空间范围来分类,环境模型可以分为 2 维模型和 3维模型,其中 3 维环境模型构建更加复杂和困难。目前主要的建模方法有栅格地图法、几何特征地图法、拓扑地图法。环境建模需要依靠传感器采集的数据信息,目前用于环境建模的传感器主要有:超声波传感器、激光距离传感器、视觉传感器,而传感器的精度对环境建模来讲非常关键。
1 环境建模算法原理
相比于超声波传感器,激光雷达传感器扫描的距离信息更加精确,因此基于激光雷达的环境建模方法有更好的适用性。激光数据还需要进行相应的坐标转换,从激光雷达所在坐标系转换到机器人所在的世界坐标系中,这样激光雷达扫描的数据才能真实的反映到整个环境模型中。因此需要建立机器人的运动模型,建立世界坐标系、机器人坐标系、激光雷达坐标系,然后再根据它们之间的对应关系统一到世界坐标系中,这样建立的环境模型就可以直接用来定位和导航了。
机器人的运动模型,X-Y 表示环境模型的世界坐标系 ,x-y 表示机器人自身的坐标系 , 和分别表示机器人的角度差和位移差 , 为机器人在世界坐标系中的航向角 , 为机器人携带激光测距仪探测到的障碍物距离 , 为该障碍相对于机器人 x 轴正方向的偏转角度。
为了将激光雷达扫描的环境模型信息对应到世界坐标系中,需要进行坐标系之间的转换。坐标的转换主要包括两个坐标转换关系,激光雷达坐标系与世界坐标系、激光雷达坐标系与机器人坐标系的转换关系。
激光扫描障碍物的栅格示意图,激光雷达前方有障碍 A、障碍 B,激光雷达发出的光束会扫到前方的障碍物A、B,并反射回来,激光雷达得到距离数据d,再通过坐标转换关系,就可以将障碍物的位置信息反映到环境模型中,建成的环境地图可以直接用来进行全局路径规划实验。
2 环境建模实验结果
为了验证本课题中环境建模方法的有效性,我们在办公楼内和实验室走廊等常见室内场景进行了环境建模实验,机器人 P3-AT 携带 SICK LMS-200 激光雷达,笔记本作为上位机在实验室进行了环境建模实验。
是会议室和实验室的地图,激光雷达扫描一个平面的数据,然后根据采用环境建模算法生成二维平面地图,图中的黑点和黑线表示激光雷达扫描的实物,如墙壁、办公桌和办公椅等实物,是机器人不能通过的区域;空白部分代表空地,是机器人可以通过的区域。按照同样的方法又在洗衣房、电梯、健身房、办公楼走廊等地进行了环境建模实验,生成的地图。
3 结束语
移动机器人的环境建模是全局路径规划实验非常重要的部分,环境模型的准确程度直接影响全局路径规划的效果。本文采用西科 LMS-200 激光雷达传感器进行了实验研究,并且在洗衣房、电梯、健身房、办公楼走廊、停车场、电梯口、办公室和地下停车场等场景进行了建图实验,并在文中展示了所建地图。从图中可以看出,地图从轮廓上基本反映了各个场景的实物环境,大多数障碍物都可以被扫描到,并在地图中反映出来,但是也存在一些问题,例如有些障碍物会扫描不到,环境地图还存在有一定的失真。
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