一種移動機器人室內自建地圖的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及自動化技術領域，特別涉及一種移動機器人室內自建地圖的方法和系 統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 機器人技術的發(fā)展是科學技術綜合發(fā)展的共同結晶。機器人按照用途可以分為軍 用機器人、工業(yè)機器人、服務機器人等，其中，這些機器人類型中都對移動機器人有巨大的 需求。
[0003] 移動機器人的研究范圍涵蓋：體系結構、控制機構、信息系統(tǒng)、傳感技術、規(guī)劃策 略、以及驅動系統(tǒng)等幾個方面，涉及機械運動學、人工智能、智能控制、模式識別、圖像處理、 視覺技術、傳感技術、計算機網(wǎng)絡與通訊、以至生物信息技術等在內的多個學科領域。移動 機器人不僅在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療、服務等行業(yè)中得到廣泛的應用，而且在城市安全、國防和空 間探測領域等有害與危險場合得到很好的應用。移動機器人的研究水平，是衡量一個國家 科技發(fā)展水平和綜合國力的重要標志。"機器人革命"有望成為"第三次工業(yè)革命"的一個切 入點和重要增長點，將影響全球制造業(yè)格局。國際機器人聯(lián)合會（IFR)預測："機器人革命" 將創(chuàng)造數(shù)萬億美元的市場，從而帶動與機器人相關的新材料功能模塊、感知獲取與識別、智 能控制與導航等關鍵技術與市場快速發(fā)展。
[0004] 在自主式移動機器人的研究中，機器人導航是實現(xiàn)機器人智能的前提。導航中的 兩個關鍵問題是：1、對環(huán)境的描述地圖構建，2、機器人在地圖中的位置定位。其中，地圖構 建是首要的問題，是實現(xiàn)機器人導航乃至更高智能的核心技術，構建地圖是實現(xiàn)定位的前 提。地圖構建涉及下列的子問題：地圖表示方法、傳感器、不確定信息的描述和處理、機器 人同時定位及建圖。
[0005] 室內機器人的地圖構建主要是平面地圖，常用的表示方法包括柵格地圖、幾何特 征地圖和拓撲地圖。本技術方案采用的是柵格地圖。
[0006] 柵格地圖是將整個工作環(huán)境分為若干大小相同的柵格，采用雷達、聲納、超聲波等 探測器來獲得每個柵格存在障礙物的信息，指出每個柵格存在障礙物的可能性，每個柵格 的信息直接與真實環(huán)境中的某個區(qū)域相對應，因而易于創(chuàng)建、維護和理解。柵格地圖采用概 率值表示柵格模型的不確定性，能夠提供較準確的度量信息。由于這些優(yōu)點，柵格地圖在移 動機器人中獲得大量的采用。但是，在地圖的數(shù)據(jù)量較大時，也會帶來柵格地圖的存儲量和 數(shù)據(jù)維護工作量的增大，對計算機的實時處理造成較大的負擔。
[0007] 幾何特征地圖是指從機器人收集的環(huán)境感知數(shù)據(jù)中提取抽象的幾何特征，用有關 的幾何特征（如點、直線、面）表示環(huán)境。該方法更為緊湊，且便于位置估計和目標識別，但 是幾何信息的提取需要對探測的信息進行額外的處理，不適用于非結構化的地圖結構，且 需要大量的、測量精確的數(shù)據(jù)才可以得到精確的建模。
[0008] 拓撲地圖把室內環(huán)境表示為帶結點和相關連接線的拓撲結構圖，其中結點表示環(huán) 境中的重要位置點（拐角、門、電梯、樓梯等），邊表示結點間的連接關系，如走廊等。該方法 占據(jù)的存儲空間小，可以快速實現(xiàn)路徑規(guī)劃，不需要機器人的精確位置信息，也為人機交互 下達指令提供了一種更為自然的接口。但是，該方法忽略了環(huán)境的細節(jié)信息，難以對機器人 的路徑進行精細的規(guī)劃。此外，傳感器探測誤差較大時，難以創(chuàng)建和維護。而且，如果環(huán)境 中存在兩個很相似的地方，則在地圖上很難確定是否為同一個點。這就帶來了大范圍環(huán)境 中正確識別的難度。
[0009] 三種地圖表示方法各有優(yōu)缺點，需要結合機器人的應用場景，同時輔助其他的技 術來實現(xiàn)高精度、易維護的地圖模型。

【發(fā)明內容】

[0010] 本發(fā)明提供一種移動機器人室內自建地圖的方法和系統(tǒng)，結合室內移動的特點， 從探測器獲得路徑信息和障礙物信息，實現(xiàn)室內環(huán)境和柵格信息的實時調整和對應，保證 了地圖模型的有效性。同時，柵格地圖易于維護，方便快速存取地圖數(shù)據(jù)。同時，該方案的 技術適應性廣，能夠對多元化的環(huán)境實現(xiàn)快速反應，快速創(chuàng)建動態(tài)的、反映真實環(huán)境信息的 地圖模型，能夠有效實現(xiàn)機器人的定位和導航。
[0011] 本發(fā)明的技術方案提供了一種移動機器人室內自建地圖的方法，包括以下步驟：
[0012] 形成初始化的地圖；
[0013] 在所述初始化地圖中標記坐標原點；
[0014] 機器人遍歷室內可行區(qū)域，記錄路徑信息和環(huán)境信息；
[0015] 機器人計算和標記地圖中每個柵格的CV值；
[0016] 根據(jù)路徑信息和CV值建立地圖。
[0017] 進一步的，所述形成初始化的地圖，進一步包括：
[0018] 所述地圖為一系列正方形柵格組成的網(wǎng)狀圖形；
[0019] 所述地圖以柵格形式標記室內環(huán)境的位置，每個柵格代表實際大小200mmX200mm 的室內面積；
[0020] 用戶根據(jù)機器人室內活動范圍設定初始地圖大小。
[0021] 進一步的，所述地圖以一個二維數(shù)組存儲柵格的信息，二維數(shù)組的數(shù)據(jù)類型是一 個自定義的數(shù)據(jù)結構AStarNode，該數(shù)據(jù)結構的定義如下：
[0022]
[0023]

[0024] 其中，map_maze為AstarNode數(shù)據(jù)結構的二維數(shù)組；
[0025] s_x為橫坐標（X坐標）的位置信息；
[0026] s_y為縱坐標（Y坐標）的位置信息；
[0027] s_cv表示柵格CV值，為每個柵格被障礙物占據(jù)的概率，范圍為0~I，0標識無障 礙占據(jù)，1表示被障礙物占據(jù)，值越大表示該柵格被障礙物占據(jù)的概率越大；
[0028] 初始化地圖中，每個柵格CV值都為1，表示全部為障礙物。
[0029] 進一步的，所述在所述初始化地圖中標記坐標原點，進一步包括：
[0030] 以機器人充電粧為地圖的坐標原點；
[0031] 東西方向為X軸，南北方向為Y軸。
[0032] 進一步的，所述機器人遍歷室內可行區(qū)域，記錄路徑信息和環(huán)境信息，進一步包 括：
[0033] 機器人在室內移動過程中記錄數(shù)據(jù)路徑信息和CV值；
[0034] 機器人根據(jù)里程計的測量值在地圖中標記可行區(qū)域的位置信息；
[0035] 機器人根據(jù)超聲波傳感器融合測量的值在地圖中標記CV值。
[0036] 進一步的，機器人根據(jù)里程計計算所處位置的X、Y坐標值，計算方法為：
[0040] X (0)、Y (0)為初始時刻機器人所在位置，D⑴與卿'）為從i-Ι時刻到i時刻自主 車行駛距離和方位角。
[0041] 進一步的，機器人通過超聲傳感器進行融合測量包括兩種方法：
[0042] 方法一、同一時刻不同傳感器的數(shù)據(jù)融合。
[0043] 此方法為根據(jù)貝葉斯概率算法估算求得每個柵格的CV值，貝葉斯概率算法為：
[0044] 采用兩臺超聲波傳感器的探測數(shù)據(jù)進行融合獲得CV值；
[0045] 每一個超聲波傳感器的探測范圍劃分為3類，I類為無占據(jù)，II類為可能占據(jù)，III 類為不確定；
[0046] 定義每個柵格被占據(jù)的概率為P (0)，沒有被占據(jù)的概率為P (E) = I-P (0)，則
[0051] R為超聲波探測量程，r為實際探測到的距離；
[0052] 同一時刻兩臺超聲波傳感器的探測數(shù)據(jù)融合后獲得的每個柵格的CV值為
[0054] 方法二、不同時刻對同一柵格的超聲波傳感器測量值的融合。
[0055] 不同時刻同一柵格的CV值為
[0057] 進一步的，在地圖上用顏色區(qū)分每個柵格的CV值；
[0058] CV值為0~0. 2的柵格為完全可行走區(qū)域，白色表示；
[0059] CV值為0. 2~0. 8的柵格為可能存在障礙物的區(qū)域，用灰色表示；
[0060] CV值為0. 8~1的柵格為完全不可行走的區(qū)域，用黑色表示。
[0061] 進一步的，機器人在室內遍歷行走后，自建形成地圖，并在地圖中人工修訂門的位 置，進一步包括：
[0062] 機器人在室內行走過程中，使用側面的超聲波傳感器測量機器人距離墻的距離， 在門開著的狀態(tài)下，通過超聲波傳感器讀數(shù)的兩次跳變（第一次從小變大，第二次從大到 小）判斷出該位置有門；
[0063] 機器人根據(jù)所述兩次跳變的中間位置，標記為門的標識；
[0064] 創(chuàng)建地圖完成后，人工通過軟件操作將不是門的位置清除門的標識，將門所處位 置在軟件界面上用其他顏色標識。
[0065] 本發(fā)明的技術方案還提供了一種移動機器人室內自建地圖的系統(tǒng)，包括：里程計、 超聲波傳感器、處理單元，其中，
[0066] 里程計用于計算機器人在室內行走的距離和角度；
[0067] 超聲波傳感器用于探測機器人周圍不同距離的障礙物信息，其中，機器人兩側各 有一個超聲波傳感器，前側有不少于一個的超聲波傳感器；
[0068] 處理單元用于計算機器人行走的路徑信息和地