基于ROS的多导盲机器人及在未知环境中的地图创建方法技术

一种基于ROS的多导盲机器人，由至少两台结构相同的导盲机器人个体组成，导盲机器人个体含上中下三层结构的车身，下层设有车轮组，电机，电机驱动器和电源转换模块；中层设有运动控制器，电源和语音识别模块；上层设有RFID模块，数据采集模块和笔记本；笔记本通过USB串口分别与RFID模块，数据采集模块，语音识别模块和运动控制器进行通信；运动控制器输出驱动信号至电机驱动器，电机驱动器驱动电机带动车轮组，电源通过电源转换模块分别给RFID模块，数据采集模块和语音识别模块供电；导盲机器人个体间采用分布式控制结构，通过各自的笔记本之间的WiFi连接，实现导盲机器人个体间的信息交互。本发明专利技术还公开了基于ROS的多导盲机器人在未知环境中的地图创建方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及一种导盲机器人，更具体地说，是设及一种基于R0S的多导盲机器人 及在未知环境中的地图创建方法，属于导盲机器人

技术介绍
盲和视力障碍对人类生活质量影响非常严重，视力障碍者一般只能通过听觉和触 觉的方式来感觉外在世界的信息，运给其日常生活带来了极大的不便。因此设计和研发出 一款可W配合视力障碍者的感触特征而运行的导盲机器人，对弥补其视觉信息的缺失来说 是十分重要的。随着机器人技术的飞速发展，研究导盲机器人成为辅助盲人正常生活的最 好选择之一。 导盲机器人目前在服务机器人领域逐渐成为了一大研究热点，但单一的导盲机器 人功能比较有限且服务对象较为单一，服务区域相对也比较小。单一的导盲机器人不能完 成某些复杂的任务，并且在复杂环境中的导盲也具有局限性。针对单一导盲机器人的运些 不足，多导盲机器人的研究应运而生。多导盲机器人系统可W完成单个导盲机器人不能完 成的复杂任务，更能适应各种复杂的环境。可W增加系统的鲁棒性，实时性好。因此多导盲 机器人的研究成为当今社会发展的必然趋势。 R0S是能为异质计算机集群提供例如操作系统功能的软件平台。2007年，斯坦 福大学人工智能实验室与机器人技术公司Willow Garage合作开发出了机器人操作系统， 2008年W后由Willow Garage推广。 ROS平台是一个非常大的共享平台，人们可W借由运个系统进行所处领域的代码 交流，因此世界上有非常多的机构在对R0S进行开发和维护。基于Linux操作系统下，R0S 系统能够提供的功能包括硬件抽象描述、执行底层驱动程序管理、程序间共用功能的执行、 程序间的消息传递、程序发行包管理，它也提供一些工具程序和库用于获取、建立、编写和 运行多机集成的程序。世界各地的研究人员在R0S的基础上开发了许多软件包，如定位绘 图、并行规划、感知、仿真和其他高级功能包功能。在机器人研究领域，R0S已经逐渐成为通 用性的软件平台。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有单导盲机器人在面对未知环境时存在的工作能力有限， 工作效率低和智能化程度较差的缺点，解决单一导盲机器人在面对未知环境W及复杂导盲 信息时，由于自身的硬件设备不足或是不能有效获取环境障碍物信息，因而无法创建有效 地图的问题，提出了一种基于R0S的多导盲机器人及在未知环境中的地图创建方法。 为实现上述目的，本专利技术解决问题所采取的技术方案是： 一种基于R0S的多导盲机器人，由至少两台结构相同的导盲机器人个体组成，所 述导盲机器人个体包括上中下Ξ层结构的车身，车身下层设有车轮组7,电机6,电机驱动 器8和电源转换模块1 ;中层设有运动控制器9,电源10和语音识别模块4 ;上层设置有 RFID模块2,数据采集模块3和笔记本5 ;所述笔记本5通过USB串口分别与所述RFID模 块2,数据采集模块3,语音识别模块4和运动控制器9进行通信；所述运动控制器9输出驱 动信号至电机驱动器8,所述电机驱动器8驱动电机6从而带动车轮组7,所述电源10通过 电源转换模块1分别给RFID模块2,数据采集模块3和语音识别模块4供电；所述导盲机 器人个体之间采用分布式控制结构，通过各自的笔记本之间的WiFi连接，实现导盲机器人 个体之间的信息交互。 其中，上述所述导盲机器人个体都运行机器人操作系统一-R0S。 上述所述RFID模块2为射频识别模块，是一种无线通信模块，用来检测并获取环 境中RFID标签的信息。 上述所述数据采集模块3为激光雷达。 上述所述车轮组7由两个驱动轮和一个万向轮组成，成Ξ角形安装在所述车身下 层的底部。 为实现上述目的，本专利技术解决问题所采取的另一技术方案是： 一种基于R0S的多导盲机器人在未知环境中的地图创建方法，包括W下步骤： (1)在盲机器人个体所在处区域设置若干个错点，即在所处区域中的重要标志性 特征点上设置封装有该位置坐标信息的RFID标签； 似启动所有导盲机器人个体中的数据采集模块3和RFID模块2 ; (3)手动控制导盲机器人个体在各自所在的区域运行一圈，所述数据采集模块3 获取区域环境的障碍物数据信息，所述RFID模块2采集区域中预设的的错点信息，即RFID 标签信息，其中存储有标志性特征点的坐标； (4)将步骤3)获取的区域环境中的障碍物数据信息采用导盲机器人半径和定位 误差之和进行膨胀，将障碍物尺寸进行扩大； 妨运用R0S提供的功能包中的EKF-SLAM算法，创建并保存各自区域的带有错点 坐标的SLAM地图； (6)导盲机器人个体通过各自笔记本5的WiFi连接进行数据交互，即步骤5)中生 成的带有错点坐标的SLAM地图的交互。 上述所述的基于R0S的多导盲机器人在未知环境中的地图创建方法中步骤5)所 述的EKF-SLAM算法的具体步骤是： 阳0巧 1)初始化：将导盲机器人个体的SLAM状态空间向量，误差协方差矩阵，导盲机器 人个体过程控制噪声协方差矩阵，导盲机器人个体观测过程噪声协方差矩阵参数进行初始 化定义； 2)状态预测：利用导盲机器人个体运动过程模型，根据k-1时刻的导盲机器人个 体位姿，误差协方差矩阵和k-1时刻到k时刻导盲机器人个体的运动控制量来预测k时刻 的导盲机器人个体自身位姿估计，误差协方差矩阵和导盲机器人个体的观测量； 3)数据关联：在导盲机器人个体的实际观测完成时，建立导盲机器人个体实际从 环境中观测到的特征点的观测值和步骤2)中通过观测模型得到预测值之间的对应关系， 计算卡尔曼增益；4)状态更新：利用卡尔曼增益和步骤2)中的预测值，更新k时刻的导盲机器人个 体SLAM状态空间向量和误差协方差矩阵； 5)地图扩展：当导盲机器人个体观测到新的特征点时，经过数据关联校验后，将 新观测到的特征点的坐标添加到系统状态向量中，实时更新SLAM地图。 有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有W下的优点和有益效果： 1、采用多导盲机器人，设计和制造多个简单的导盲机器人个体比单个复杂的导盲 机器人个体要容易很多，成本也低很多。 2、导盲机器人个体均采用目前流行机器人操作系统一一R0S，由于其本身的开源 性，使得机器人软件系统对环境的适应性更强，同时也提高了软件系统的实时性。 3、使用多台导盲机器人个体可W通过数据共享获取更大范围的环境信息，而不需 要直接观测，提高工作效率和工作范围。 4、导盲机器人个体上使用激光雷达检测环境中的障碍物信息，检测精度高，速度 快，抗干扰能力强。 5、导盲机器人个体上使用RFID模块检测环境中错点的信息，识别唯一，安全性 好，准确性高。【附图说明】 图1为导盲机器人个体结构示意图， 图2为导盲机器人个体控制结构示意框图， 图3为多导盲机器人所处的一种未知环境图， 图4为多导盲机器人个体在未知环境图中的地图创建方法流程框图， 图5为导盲机器人个体创建地图过程中使用的EKF-SLAM算法流程框图。【具体实施方式】 下面结合附图，进一步阐述本专利技术。[0039当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ROS的多导盲机器人，其特征在于，所述多导盲机器人由至少两台结构相同的导盲机器人个体组成，所述导盲机器人个体包括上中下三层结构的车身，车身下层设有车轮组(7)，电机(6)，电机驱动器(8)和电源转换模块(1)；中层设有运动控制器(9)，电源(10)和语音识别模块(4)；上层设置有RFID模块(2)，数据采集模块(3)和笔记本(5)；所述笔记本(5)通过USB串口分别与所述RFID模块(2)，数据采集模块(3)，语音识别模块(4)和运动控制器(9)进行通信；所述运动控制器(9)输出驱动信号至电机驱动器(8)，所述电机驱动器(8)驱动电机(6)从而带动车轮组(7)，所述电源(10)通过电源转换模块(1)分别给RFID模块(2)，数据采集模块(3)和语音识别模块(4)供电；所述导盲机器人个体之间采用分布式控制结构，通过各自的笔记本之间的WiFi连接，实现导盲机器人个体之间的信息交互。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈超，王若怡，刘志，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32