一种旋转激光雷达及室内地图构建和定位的SLAM机器人制造技术

本发明专利技术公开一种旋转激光雷达及室内地图构建和定位的SLAM机器人，其中3D激光雷达通过激光雷达支座实现与固定座的转动连接，由上述旋转激光雷达构成的室内地图构建和定位的SLAM机器人能够实现对周围环境的全角探测，另外，机器人还包括采集前方图像数据的相机模块和采集机器人自身位置和姿态的位姿捕获单元。旋转3D激光雷达、多角度相机以及位姿捕获单元之间相互配合、相互补充，获取全面准确的机器人周围环境信息，为构建精确性和完整性的三维地图提供了最基础最重要的数据来源。

A rotating lidar and slam robot for building and positioning indoor map

【技术实现步骤摘要】
一种旋转激光雷达及室内地图构建和定位的SLAM机器人
：本专利技术属于机器人
，具体涉及一种旋转激光雷达及室内地图构建和定位的SLAM机器人。
技术介绍
：随着科技的进步与社会的发展，定位、定向变得越来越重要。1964年，美国建立了全球定位系统GPS，实现了精准的室外定位。但是对于情况复杂，精确度高的室内定位、室内建图却有较高的难度。目前，前沿的定位技术方向便是SLAM，即时定位与地图构建技术，此技术目前在AGV、无人驾驶汽车、虚拟现实等领域有着广泛的应用。目前业内将SLAM分为激光SLAM和视觉SLAM两大类，但大多SLAM机器人的建图、定位能力具有一定的局限性，如无法检测台阶，无法检测一些较为复杂的障碍物、定位精度不高等。而室内建图，尤其是建立精确的较为复杂的3D地图的需求日益增强。因此，设计一个具有高精度，可以建立较为复杂障碍地图环境的机器人是十分有必要的。目前，大多SLAM机器人采用3D激光雷达一般固定不动，激光雷达的探测视角较窄，当检测距离较远、结构较为复杂的障碍时，即使在视野范围内也会存在较大距离的盲区。
技术实现思路
：本专利技术目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种室内地图构建和定位的SLAM机器人，解决了现有的SLAM机器人获取的周围环境数据准确性较低，难以构建精确的三维地图的问题。为了实现上述目的，本专利技术涉及的旋转激光雷达，包括3D激光雷达、激光雷达支座和固定支座，所述激光雷达支座包括与固定座上的环形空腔对应的转轮，转轮的外圈均布轮齿，靠近轮齿设置轮圈，转轮内圈设有固定底座，3D激光雷达固定在底座上，激光雷达支座上的轮圈与固定在环形空腔四周的第一滚珠轴承转动连接，轮齿与传动单元啮合，在驱动单元的驱动下，绕环形空腔转动。具体地，固定座为环境扫描单元支座，相机架和激光雷达架卡接构成环境扫描单元支座，在环境扫描单元支座的上部形成环形空腔，惰轮、同步带轮和正时皮带构成传动单元，步进电机支座、步进电机和步进电机驱动构成驱动单元，步进电机支座、步进电机、步进电机驱动、惰轮和同步带轮置于环境扫描单元支座内部腔体内，置于相机架和激光雷达架连接处的正时皮带上部与激光雷达支座外圈的轮齿啮合，正时皮带两端向下伸入环境扫描单元支座内部腔体内，与固定在相机架上的同步带轮啮合，两惰轮固定在正时皮带下部外侧，其从左右两侧将正时皮带下部夹紧，步进电机通过步进电机支座固定在相机架上，步进电机输出端与同步带轮连接，步进电机驱动与步进电机电连接。所述传动单元和驱动单元可以是其他能够实现上述功能的装置。一种室内地图构建和定位的SLAM机器人，包括环境扫描单元、运动单元、数据处理单元、显示单元、主体外壳、电源单元和位姿捕获单元；环境扫描单元通过相机模块和旋转激光雷达扫描SLAM机器人周围环境，获取环境信息数据；运动单元用于实现机器人的行走移动；数据处理单元基于获取的数据构建三维地图、避障和定位；显示单元用于将数据处理单元得到的结果进行显示，实现人机交互；主体外壳为机器人其他单元提供支撑以及进行保护；电源单元为机器人提供电能；位姿捕获单元用来捕获SLAM机器人的位置与姿态信息，扫描环境单元、运动单元、数据处理单元、显示单元和电源单元均固定在主体外壳上；数据处理单元分别与环境扫描单元、运动单元、显示器单元、电源单元和位姿捕获单元连接，获取相关数据并协调控制各单元之间的工作。所述相机模块固定在环境扫描单元支座前进方向一侧，用于获取环境图像数据，所述相机模块包括TOF深度相机、双目立体相机、结构光深度相机和避障相机，TOF深度相机、双目立体相机和结构光深度相机，自下而上固定在相机架外侧，避障相机斜向下倾斜安装在主体外壳前方，用于扫描检测机器人正前方的障碍以及地面的纹理信息。进一步地，在环境扫描单元支座内部腔体内还设有扫描单元风扇，在靠近扫描单元风扇的激光雷达架处设置出风口，助于步进电机散热。本专利技术涉及的主体外壳包括机身，顶板和底板，顶板和底板分别固定在环形机身上下两侧，形成主腔室。本专利技术涉及的运动单元包括底盘板、轮轴、滚珠轴承单元、主轮、主电机驱动、驱动轮、驱动轮支架、第二滚珠轴承、转向电机耦合器、伺服电机支座和转向伺服电机，驱动轮内置主电机，主电机与主电机驱动电连接，底盘板四周固定在机身上，驱动轮固定在底盘板下部前侧的驱动轮支架上，驱动轮支架通过第二滚珠轴承与底盘板转动连接，转向伺服电机通过伺服电机支座固定在底盘板上部，转向伺服电机通过转向电机耦合器与驱动轮支架连接，对称设置的两轮轴分别通过滚珠轴承单元固定在底盘板下部后侧，轮轴一端分别固定一主轮，主轮置于机身左右两侧的轮槽内。本实施例涉及的数据处理单元包括小型计算机和微控制器，小型计算机用于图像数据处理、3D建图、精确定位、障碍物确认、人工智能软件安装和运行，微控制器与转向伺服电机、主电机驱动和步进电机驱动连接，控制相应设备的直接运行，微控制器与小型计算机连接，实现两者的数据交互，通过写入指令，小型计算机能够控制微控制器，同时能够处理监视其接收处理的数据，相机模块通过USB集线器与小型计算机连接，3D激光雷达通过以太网交换机与小型计算机连接，将采集的环境数据发送到小型计算机。本专利技术涉及的显示单元包括液晶触摸显示器、显示器支座和风扇，显示器支座底部固定在顶板上，与小型计算机连接的液晶触摸显示器固定在显示器支座上部，在液晶触摸显示器下侧的显示器支座内固定风扇，风扇外侧的显示器支座设有通风孔。进一步地，在SLAM机器人主体外壳侧面设有USB接口、HDMI接口和网线接口，HDMI接口用于将小型计算机与外部显示设备连接，网线接口用于实现大容量数据在SLAM机器人与外部设备之间的传输，如视频数据，USB接口实现小容量数据信息在SLAM机器人与外部设备之间的传输；无线模块固定在在SLAM机器人主体外壳上，无线模块包括第一天线和第二天线，第一天线与小型计算机连接，用于小型计算机与外部设备之间的数据交换，第二天线与微控制器连接，用于微控制器与外部设备之间的数据交换。进一步地，所述SLAM机器人还包括无线电接收器，无线电接收器与转向伺服电机和主电机驱动器连接。所述电源单元包括第一直流-直流转换器、第二直流-直流转换器和第三直流-直流转换器、电源、急停按钮开关、电源上电开关，小型计算机开关、液晶触摸显示器开关、充电口和按钮开关，其中，第一直流-直流转换器一端连接电源，另一端与微控制器连接，第二直流-直流转换器一端连接电源，另一端与小型计算机连接，第三直流-直流转换器一端连接电源，另一端与液晶触摸显示器连接，分别用于将电源提供的直流电转变为微控制器、小型计算机和液晶触摸显示器适用的直流电，在SLAM机器人主体外壳上安装急停按钮开关，电源上电开关，小型计算机开关、液晶触摸显示器开关、充电口和按钮开关。所述位姿捕获单元包括惯性测量单元和数字编码器，在两转轴上分别固定一数字编码器，分别获取两转轴的旋转圈数，惯性测量单元与小型计算机连接，数字编码器与微控制器连接，所述惯性测量单元固定在底盘板上，用于精确获取机器人位姿信息。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.旋转激光雷达，其特征在于，包括3D激光雷达、激光雷达支座和固定支座，所述激光雷达支座包括与固定座上的环形空腔对应的转轮，转轮的外圈均布轮齿，靠近轮齿设置轮圈，转轮内侧设有固定底座，3D激光雷达固定在底座上，激光雷达支座上的轮圈与固定在环形空腔四周的第一滚珠轴承转动连接，轮齿与传动单元啮合，在驱动单元的驱动下，绕环形空腔转动。/n

【技术特征摘要】
1.旋转激光雷达，其特征在于，包括3D激光雷达、激光雷达支座和固定支座，所述激光雷达支座包括与固定座上的环形空腔对应的转轮，转轮的外圈均布轮齿，靠近轮齿设置轮圈，转轮内侧设有固定底座，3D激光雷达固定在底座上，激光雷达支座上的轮圈与固定在环形空腔四周的第一滚珠轴承转动连接，轮齿与传动单元啮合，在驱动单元的驱动下，绕环形空腔转动。


2.根据权利要求1所述的旋转激光雷达，其特征在于，固定座为环境扫描单元支座，相机架和激光雷达架卡接构成环境扫描单元支座，在环境扫描单元支座的上部形成环形空腔，惰轮、同步带轮和正时皮带构成传动单元，步进电机支座、步进电机和步进电机驱动构成驱动单元，步进电机支座、步进电机、步进电机驱动、惰轮和同步带轮置于环境扫描单元支座内部腔体内，置于相机架和激光雷达架连接处的正时皮带上部与激光雷达支座外圈的轮齿啮合，正时皮带两端向下伸入环境扫描单元支座内部腔体内，与固定在相机架上的同步带轮啮合，两惰轮固定在正时皮带下部外侧，其从左右两侧将正时皮带下部夹紧，步进电机通过步进电机支座固定在相机架上，步进电机输出端与同步带轮连接，步进电机驱动与步进电机电连接。


3.一种室内地图构建和定位的SLAM机器人，其特征在于，包括环境扫描单元、运动单元、数据处理单元、显示单元、主体外壳、电源单元和位姿捕获单元；环境扫描单元通过相机模块和权利要求1或2所述旋转激光雷达扫描SLAM机器人周围环境，获取环境信息数据；运动单元用于实现机器人的行走移动；数据处理单元基于获取的数据构建地图、避障和定位；显示单元用于将数据处理单元得到的结果进行显示，实现人机交互；主体外壳为机器人其他单元提供支撑以及进行保护；电源单元为机器人提供电能；位姿捕获单元用来捕获SLAM机器人的位置与姿态信息，扫描环境单元、运动单元、数据处理单元、显示单元和电源单元均固定在主体外壳上；数据处理单元分别与环境扫描单元、运动单元、显示器单元、电源单元和位姿捕获单元连接，获取相关数据并协调控制各部件之间的工作。


4.根据权利要求3所述的室内地图构建和定位的SLAM机器人，其特征在于，所述相机模块固定在环境扫描单元支座前进方向一侧，用于获取环境图像数据，所述相机模块包括TOF深度相机、双目立体相机、结构光深度相机和避障相机，TOF深度相机、双目立体相机和结构光深度相机，自下而上固定在相机架外侧，避障相机斜向下倾斜安装在主体外壳前方，用于扫描检测机器人正前方的障碍以及地面的纹理信息。在环境扫描单元支座内部腔体内还设有扫描单元风扇，在靠近扫描单元风扇的激光雷达架处设置出风口，助于步进电机散热。


5.根据权利要求4所述的室内地图构建和定位的SLAM机器人，其特征在于，本发明涉及的主体外壳包括机身，顶板和底板，顶板和底板分别固定在环形机身上下两侧，形成主腔室。


6.根据权利要求5所述的室内地图构建和定位的SLAM机器人，其特征在于，运动单元包括底盘板、轮轴、滚珠轴承单元、主轮、主电机驱动、驱动轮、驱动轮支架、第二滚珠轴承、转向电机耦合器、伺服电机支座和转向伺服电机，驱动轮内置主电...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿里·纳玛提，赵东杰，葛树志，黄致远，法里纳兹·戈拉米，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东;37