应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统及方法技术方案

应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统及方法，属于机器人导航技术领域。解决了现有周围环境感知的技术易受到光线，湿度等物理环境因素的影响，适用范围小且成本较高的问题。本发明专利技术所述的旋转主轴位于基座的中心，角度检测编码器用于采集旋转主轴的转速；驱动电机通过齿轮组带动旋转主轴和角度检测编码器旋转；旋转主轴的顶端套接在传动轴承的轴套内，所述传动轴承位于基座的顶端，传动轴承带动3D激光雷达和2D激光雷达同时旋转，2D激光雷达用于采集所安装平面内的环境信息，3D激光雷达用于扫描自身安装水平面向上夹角为0°～45°范围内的环境信息，板卡设置在基座内。本发明专利技术适用于机器人导航定位技术使用。

【技术实现步骤摘要】
应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统及方法
本专利技术属于机器人导航

技术介绍
激光导航是利用激光直线性好，发散角小、能量集中等特点进行多点位精准测量，通过对数据的组合运算，计算出设备的相对位置，从而实现定位。激光导航的方式有很多，但是目前较为成熟且广泛应用的激光导航技术主要有两种，一种为利用激光反射板进行定位，激光发射器发射的激光经过反射板反射被接收器接收，通过测算不同位置的反射板的位置来确定设备的当前位置，并且利用相关的数学模型做导航指引，特点是精度较高，但是无法感知周围环境需要其他传感器辅助感应且使用前需要进行反射板的安装，前期施工量大；另外一种则无需使用反射板，利用设备所在环境中的障碍物作为参照物通过利用2D激光扫描周围环境中的障碍物获得相关数据，在通过对数据的处理整合构建出设备周围的二维虚拟地图，地图构建后设备在运动时，不断比对周围的障碍物数据，从而获取相关的地理位置信息，通过相关的数学模型，得出具体性运动控制数据，特点是施工难度低，易于使用，但是缺点是精度较低，扫描数据为环境的一个截面，无法感知其他高度的环境数据，需要其他传感器进行辅助感应。目前可以达到周围环境感知的技术主要是视觉感知及3D激光雷达方案，但是视觉技术目前易受到光线，湿度等物理环境因素的影响适用范围小成本较高；符合导航使用的高精度的3D激光雷达方案目前市场价格都极为昂贵，成本高出太多，在应用于服务机器人行业并不成熟，并且开发难度较大。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有周围环境感知的技术易受到光线，湿度等物理环境因素的影响，适用范围小且成本较高的问题；提出了一种应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统及方法。本专利技术所述的应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统，它包括3D激光雷达1、2D激光雷达2、传动轴承3、板卡4、旋转主轴5、角度检测编码器6、齿轮传动组7、驱动电机8和基座9；基座9下部为中空结构的柱体，上部为中空结构的圆台形，所述圆台形为上下均开口结构；齿轮传动组7包括三个齿轮，所述三个齿轮均设置在基座9的底部，且三个齿轮依次咬合，三个齿轮分别套设在驱动电机8的转动轴的外侧、旋转主轴5的外侧和角度检测编码器6下侧所固定的传动轴的外侧；旋转主轴5位于基座9的中心，角度检测编码器6用于采集旋转主轴5的转速；驱动电机8通过齿轮传动组7带动旋转主轴5和角度检测编码器6旋转；旋转主轴5的顶端套接在传动轴承3的轴套内，所述传动轴承3位于基座9的顶端，传动轴承3带动3D激光雷达1和2D激光雷达2同时旋转，所述2D激光雷达2位于3D激光雷达1的下侧；2D激光雷达2用于扫描自身安装平面内的环境信息，3D激光雷达1扫描自身安装水平面向上夹角为0°～45°范围内的环境信息；板卡4设置在基座9内，所述板卡4用于安装板卡电源电路41、2D激光雷达数据处理器42、电极驱动控制器43、编码器数据处理器44和3D激光雷达数据处理器45；板卡电源电路41用于为2D激光雷达数据处理器42、电极驱动控制器43、编码器数据处理器44和3D激光雷达数据处理器45供电；2D激光雷达数据处理器42的环境信号输入端连接2D激光雷达2的扫描信号输出端，电机驱动控制器(43)的控制信号输出端驱动电机8的控制信号输入端，编码器数据处理器44的角度信号输入端连接角度检测编码器6角度信号输出端；3D激光雷达1的扫描信号输出端连接3D激光雷达数据处理器45的环境数据信号输入端。应用于服务机器人的异步式地图构建与定位方法，该方法的具体步骤为：步骤一、采用驱动电机8通过齿轮传动组7带动旋转主轴5和角度检测编码器6旋转；将2D激光雷达2和3D激光雷达1通过传动轴承3安装在旋转主轴5的顶端；步骤二、角度检测编码器6对2D激光雷达2和3D激光雷达1的所连接的旋转主轴5的转速进行检测；并将检测信息发送至编码器数据处理器44；步骤三、采用2D激光雷达2扫描自身所在平面环境信息，采用3D激光雷达1扫描自身安装水平面向上夹角为0°～45°范围内的环境信息；2D激光雷达2扫描自身安装平面内的环境信息，且2D激光雷达2的扫描区域与3D激光雷达1的扫描区域互不重叠；步骤四、对编码器数据处理器44接收到的2D激光雷达2和3D激光雷达1的转速信息与2D激光雷达2扫描机器人周围环境的障碍物信息和3D激光雷达1扫描自身安装水平面向上夹角为0°～45°范围内的环境信息进行数据组合；步骤五、采用基于特征提取的SLAM算法实现对3D激光雷达1扫描的环境信息与2D激光雷达2扫描的环境信息进行对应处理，实现对服务机器人周围环境地图的构建与定位。本专利技术的技术方案的激光扫描系统包含一个低成本3D激光雷达，一个高精度2D激光雷达。在该系统中驱动电机通过齿轮传动组与旋转主轴连接，旋转主轴直接连接激光扫描系统，通过控制驱动电机转动来带动激光扫描系统旋转，在激光扫描系统中包含3D激光雷达及2D激光雷达，两种雷达为分层排布一体化结构，以达到互不干扰及同步转动的同频同速效果。驱动电机在带动旋转主轴旋转时，根据精度要求可匹配不同速比的齿轮传动组，在测算出电机转速后经过比例换算得出激光扫描的系统的转动速度，同时根据角度检测编码器的输出数据来确定激光扫描系统的偏转角度。且本专利技术结构简单，成本低廉，可靠性高，可满足室内型服务机器人的导航定位要求。附图说明图1为专利技术所述应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统的结构示意图；图2为具体实施方式一所述的2D激光雷达与3D激光雷达的安装位置示意图；图3为具体实施方式一所述的应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统的原理框图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统，它包括3D激光雷达1、2D激光雷达2、传动轴承3、板卡4、旋转主轴5、角度检测编码器6、齿轮传动组7、驱动电机8和基座9；基座9下部为中空结构的柱体，上部为中空结构的圆台形，所述圆台形为上下均开口结构；齿轮传动组7包括三个齿轮，所述三个齿轮均设置在基座9的底部，且三个齿轮依次咬合，三个齿轮分别套设在驱动电机8的转动轴的外侧、旋转主轴5的外侧和角度检测编码器6下侧所固定的传动轴的外侧；旋转主轴5位于基座9的中心，角度检测编码器6用于采集旋转主轴5的转速；驱动电机8通过齿轮传动组7带动旋转主轴5和角度检测编码器6旋转；旋转主轴5的顶端套接在传动轴承3的轴套内，所述传动轴承3位于基座9的顶端，传动轴承3带动3D激光雷达1和2D激光雷达2同时旋转，所述2D激光雷达2位于3D激光雷达1的下侧；2D激光雷达2用于扫描自身安装平面内的环境信息，3D激光雷达1扫描自身安装水平面向上夹角为0°～45°范围内的环境信息；板卡4设置在基座9内，所述板卡4用于安装板卡电源电路41、2D激光雷达数据处理器42、电极驱动控制器43、编码器数据处理器44和3D激光雷达数据处理器45；板卡电源电路41用于为2D激光雷达数据处理器42、电极驱动控制器43、编码器数据处理器44和3D激光雷达数据处理器45本文档来自技高网...

【技术保护点】
应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统，其特征在于，它包括3D激光雷达(1)、2D激光雷达(2)、传动轴承(3)、板卡(4)、旋转主轴(5)、角度检测编码器(6)、齿轮传动组(7)、驱动电机(8)和基座(9)；基座(9)下部为中空结构的柱体，上部为中空结构的圆台形，所述圆台形为上下均开口结构；齿轮传动组(7)包括三个齿轮，所述三个齿轮均设置在基座(9)的底部，且三个齿轮依次咬合，三个齿轮分别套设在驱动电机(8)的转动轴的外侧、旋转主轴(5)的外侧和角度检测编码器(6)下侧所固定的传动轴的外侧；旋转主轴(5)位于基座(9)的中心，角度检测编码器(6)用于采集旋转主轴(5)的转速；驱动电机(8)通过齿轮传动组(7)带动旋转主轴(5)和角度检测编码器(6)旋转；旋转主轴(5)的顶端套接在传动轴承(3)的轴套内，所述传动轴承(3)位于基座(9)的顶端，传动轴承(3)带动3D激光雷达(1)和2D激光雷达(2)同时旋转，所述2D激光雷达(2)位于3D激光雷达(1)的下侧；2D激光雷达(2)用于扫描自身安装平面内的环境信息，3D激光雷达(1)扫描自身安装水平面向上夹角为0°～45°范围内的环境信息；板卡(4)设置在基座(9)内，所述板卡(4)用于安装板卡电源电路(41)、2D激光雷达数据处理器(42)、电极驱动控制器(43)、编码器数据处理器(44)和3D激光雷达数据处理器(45)；板卡电源电路(41)用于为2D激光雷达数据处理器(42)、电极驱动控制器(43)、编码器数据处理器(44)和3D激光雷达数据处理器(45)供电；2D激光雷达数据处理器(42)的环境信号输入端连接2D激光雷达(2)的扫描信号输出端，电机驱动控制器(43)的控制信号输出端驱动电机(8)的控制信号输入端，编码器数据处理器(44)的角度信号输入端连接角度检测编码器(6)角度信号输出端；3D激光雷达(1)的扫描信号输出端连接3D激光雷达数据处理器(45)的环境数据信号输入端。...

【技术特征摘要】
1.应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统，其特征在于，它包括3D激光雷达(1)、2D激光雷达(2)、传动轴承(3)、板卡(4)、旋转主轴(5)、角度检测编码器(6)、齿轮传动组(7)、驱动电机(8)和基座(9)；基座(9)下部为中空结构的柱体，上部为中空结构的圆台形，所述圆台形为上下均开口结构；齿轮传动组(7)包括三个齿轮，所述三个齿轮均设置在基座(9)的底部，且三个齿轮依次咬合，三个齿轮分别套设在驱动电机(8)的转动轴的外侧、旋转主轴(5)的外侧和角度检测编码器(6)下侧所固定的传动轴的外侧；旋转主轴(5)位于基座(9)的中心，角度检测编码器(6)用于采集旋转主轴(5)的转速；驱动电机(8)通过齿轮传动组(7)带动旋转主轴(5)和角度检测编码器(6)旋转；旋转主轴(5)的顶端套接在传动轴承(3)的轴套内，所述传动轴承(3)位于基座(9)的顶端，传动轴承(3)带动3D激光雷达(1)和2D激光雷达(2)同时旋转，所述2D激光雷达(2)位于3D激光雷达(1)的下侧；2D激光雷达(2)用于扫描自身安装平面内的环境信息，3D激光雷达(1)扫描自身安装水平面向上夹角为0°～45°范围内的环境信息；板卡(4)设置在基座(9)内，所述板卡(4)用于安装板卡电源电路(41)、2D激光雷达数据处理器(42)、电极驱动控制器(43)、编码器数据处理器(44)和3D激光雷达数据处理器(45)；板卡电源电路(41)用于为2D激光雷达数据处理器(42)、电极驱动控制器(43)、编码器数据处理器(44)和3D激光雷达数据处理器(45)供电；2D激光雷达数据处理器(42)的环境信号输入端连接2D激光雷达(2)的扫描信号输出端，电机驱动控制器(43)的控制信号输出端驱动电机(8)的控制信号输入端，编码器数据处理器(44)的角度信号输入端连接角度检测编码器(6)角度信号输出端；3D激光雷达(1)的扫描信号输出端连接3D激光雷达数据处理器(45)的环境数据信号输入端。2.根据权利要求1所述的应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：王祎民，王筠策，杨一，
申请(专利权)人：黑龙江硅智机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23