[發明專利]非平整地面場景的高精度2D投影地圖構建的系統與方法

在審

• 申請號: 202210399251.6
• 申請日: 2022-04-15
• 公開（公告）號: CN114894204A
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 秦斐燕
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院
• 主分類號: G01C21/32
• 分類號: G01C21/32;G06F16/29
• 代理公司: 北京欣鼎專利代理事務所(普通合伙) 11834
• 代理人: 王陽虹

本發明公開一種非平整地面場景的高精度2D投影地圖構建的系統與方法，包括：斜坡狀態判斷模塊，基于IMU傳感器數據，通過機器人的傾角，用以判斷是否進入斜坡狀態；內部里程計模塊，在平面時，結合imu與編碼器數據計算內部里程計；投影里程計模塊，在斜坡時，結合imu的傾斜角數據，將機器人的位姿變化投影到水平面，保持原有的三自由度，并計算出對應于2D投影地圖的投影里程計；本發明能夠重點針對地面場景應用，能夠有效的解決傳統2D激光SLAM無法適應斜坡地面的情況，以簡單的系統方法以及更低的成本，實現更加高精度的地圖及定位。

技術領域

本發明涉及地圖構建和定位技術領域，尤其涉及非平整地面場景的高精度2D投影地圖構建的系統與方法。

背景技術

目前，在平整地面的場景中，例如廠區、室內等，基于2D激光的SLAM(同步定位與建圖)技術已經較為成熟，基于該技術的機器人在工廠AGV、酒店送貨、家庭清潔等領域有著廣泛的應用。

現有的算法包括：

(1)cartographer 2D SLAM：

cartographer是目前主流的算法之一，它是一種原生的2D激光SLAM算法，需要地面平整的先決條件，當地面不平時，通過imu來測量激光的傾角進而獲得虛擬的“水平激光”，降低噪聲。這種方法只能在垂直墻面的場景中使用，且不能適應較長距離的斜坡地面情況。

(2)gmapping 2D SLAM：

gmapping是一種原生的2D激光SLAM算法，需要里程計來配合建圖，只能適用于地面平整的環境，地面不平時無法使用。

(3)LOAM-SLAM：

LOAM是一種主流的3D激光SLAM算法體系，通過3D激光點云的匹配來實現3D地圖的構建。它可以工作于3D的場合，包括上下樓梯等。但是，這種方法依賴3D激光雷達，價格昂貴，運算量較大，且精度難以做到5cm以下(受傳感器性能限制)。

在更多的類似場合中，地面通常是不平整的，存在各種上下斜坡、過門檻等情況。典型的代表包括：工廠地面存在用于覆蓋走線的上下斜坡、樓宇同層接口之間存在落差及上下斜坡、地下停車場的出入口/減速帶等等。在這些場合中，傳統的機器人2D激光的SLAM算法(假設環境為平整地面)難以適應，通常不得不或結合視覺、或基于3D激光、或分割地圖來進行建圖定位及導航。上述這些方法，一方面使得系統更加的復雜，軟硬件成本提高很多，另一方面，更大的問題是，引入視覺或者3D激光來進行3D的建圖定位，受傳感器特性限制，難以在能夠接受的軟硬件成本下實現高精度定位(比如，控制定位精度達到1cm以上)。

因此，針對非平整地面，如何實現成本合理的高精度定位地圖構建，成為機器人應用的難點。

發明內容

本發明提供一種非平整地面場景的高精度2D投影地圖構建的系統，用以解決上述背景中提到的問題。

一種非平整地面場景的高精度2D投影地圖構建的系統，包括：

斜坡狀態判斷模塊，基于IMU傳感器數據，通過機器人的傾角，用以判斷是否進入斜坡狀態；

內部里程計模塊，在平面時，結合imu與編碼器數據計算內部里程計；

投影里程計模塊，在斜坡時，結合imu的傾斜角數據，將機器人的位姿變化投影到水平面，保持原有的三自由度，并計算出對應于2D投影地圖的投影里程計；

投影激光數據模塊，在斜坡上時，將機器人當前測得激光原始數據在水平面上進行垂直投影，并且按照條件篩選，剔除可能錯誤區域，得到投影激光數據；