[發明專利]改進的柵格拓撲語義環境地圖的構建方法

在審

• 申請號: 201710141571.0
• 申請日: 2017-03-10
• 公開（公告）號: CN106970614A
• 公開（公告）日: 2017-07-21
• 發明（設計）人: 白迪;趙旦譜;臺憲青
• 申請（專利權）人: 江蘇物聯網研究發展中心
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02;G01C21/00
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所(普通合伙)32104
• 代理人: 曹祖良,屠志力

技術領域

本發明涉及服務機器人領域，尤其是一種機器人的環境地圖的構建方法。

背景技術

服務機器人與工業機器人的一個重要差別在于工業機器人的工作環境都是己知的。工業機器人只需要無思維的完成重復簡單的行為即可，而服務機器人所面臨的工作環境絕大多數都是未知的，要想自主完成復雜的任務必須構建對于環境的認識即地圖。有了環境地圖，機器人就能夠實現路徑規劃，避障，目標識別等任務。因此建立環境地圖是機器人在未知環境中長時間穩定工作的前提和保證。然而服務機器人是服務于人，所以只有建立和人類認知方式相似的語義地圖才能使機器人友善的與用戶交互，高效的完成各種服務用戶的任務。人機交互應用在機器人制圖和導航領域現今是一個研究熱點，自然，簡潔，友善的人機接口是服務機器人能否被大眾所廣泛接受的關鍵性因素。在安全檢查，老人看護，展覽館導航，房屋清潔，搜尋救援等方面，構建含有語義的環境地圖以及和用戶自然的交流能夠有效改善機器人的服務質量。

目前大多數服務機器人室內地圖構建主要是通過漫游的方式，提取環境二維幾何特征，三維點云特征等信息來構建柵格地圖，拓撲地圖，混合地圖等。在整個過程中，有兩個方面需要改進和探索：

1、漫游式自主構圖在大范圍環境構建地圖時效率較低，并且僅僅依靠機器人本身很難以人類的認知方式構建出地圖。所以使用交互手段，通過人類引導并添加語義來幫助機器人構建地圖是一個十分有效的制圖方式。畢竟人類的智力遠遠高于機器人，在人類的幫助下，機器人構建地圖的效率更高，并且在友善的交互手段下，可以在地圖中加入人類的理解。同時，自然簡單的交互界面也大大的提高了機器人的實用性和易接受性。

2、在人類和機器人認知環境方式之間存在巨大的鴻溝。機器人是通過各種各樣的傳感器數據來認知和描述環境的，而人類是通過抽象的語義概念來認知和描述環境的。傳統方法構建的地圖并沒有包含充足的人類語義信息，只是將環境信息轉化成了大量的數值。所以，服務機器人必然很難以人類的方式理解環境，實現人類指定的服務任務。所以需要在機器人認知環境的方式傳感器數據和人類認知環境的方式語義概念之間建立一種映射關系，來減小人機之間的認知鴻溝。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中存在的不足，提供一種改進的柵格拓撲語義環境地圖的構建方法，能夠建立一種柵格拓撲語義層次地圖；底層柵格地圖用于機器人認知理解環境，上層語義地圖用于人類認知理解環境，中間拓撲地圖通過在語義名稱和位置坐標之間建立對應關系，成為上層語義地圖和底層柵格地圖之間聯系的橋梁；構圖構建時的順序是柵格層，拓撲層，語義層，而導航時的地圖搜索順序是語義層，拓撲層，柵格層；能夠減小機器人認知環境方式柵格數據和人類認知環境方式語義概念之間的認知鴻溝。本發明采用的技術方案是：

一種改進的柵格拓撲語義環境地圖的構建方法，包括：

建立一種柵格拓撲語義層次地圖：層次自下而上包括柵格層、拓撲層、語義層；

底層的柵格地圖使用機器人里程計和激光傳感器數據通過Gmapping算法構建；

最上面一層是語義層，用于用戶理解環境記錄地點名稱；上層的語義地圖是通過抽取拓撲節點包含的語義名稱構建；

中間的拓撲層將語義層的語義名稱和柵格層的位置坐標聯系在一起，成為上下層地圖之間聯系的橋梁；中間的拓撲地圖是在語音標注出拓撲節點的基礎上通過增量式算法構建的；拓撲路徑描述了拓撲節點之間的位置關系。

本發明的優點在于：

1、漫游式自主構圖在大范圍環境構建地圖時效率較低，并且僅僅依靠機器人本身很難以人類的認知方式構建出地圖。所以使用交互手段，通過人類引導并添加語義來幫助機器人構建地圖是一個十分有效的制圖方式。畢竟人類的智力遠遠高于機器人，在人類的幫助下，機器人構建地圖的效率更高，并且在友善的交互手段下，可以在地圖中加入人類的理解。同時，自然簡單的交互界面也大大的提高了機器人的實用性和易接受性。

2、在人類和機器人認知環境方式之間存在巨大的鴻溝。機器人是通過各種各樣的傳感器數據來認知和描述環境的，而人類是通過抽象的語義概念來認知和描述環境的。傳統方法構建的地圖并沒有包含充足的人類語義信息，只是將環境信息轉化成了大量的數值。所以，服務機器人必然很難以人類的方式理解環境，實現人類指定的服務任務。所以需要在機器人認知環境的方式傳感器數據和人類認知環境的方式語義概念之間建立一種映射關系，來減小人機之間的認知鴻溝。

附圖說明

圖1為現有的環境地圖示意圖。

圖2為本發明的柵格地圖構建流程圖。