[发明专利]石化工厂巡检机器人环境建模与地图构建装置和方法

权利要求书

1.基于石化工厂巡检机器人环境建模与地图构建装置的环境建模与地图构建方法，所述装置安装或集成在巡检机器人平台上，其特征在于：

所述装置包括防爆壳体，该防爆壳体包含3个腔体：主控腔、接线腔和电源腔，主控腔内设有工控机、差分GPS模块、惯性测量模块、信号隔离安全栅模块、通讯模块和电源转换模块，接线腔用于转接各供电和通信电缆，电源腔内设有电源模块，防爆壳体的外部设有视觉模块、激光雷达、差分GPS模块天线和里程测量模块，视觉模块、激光雷达和里程测量模块的输出端分别经信号隔离安全栅模块与通讯模块的输入端连接，差分GPS模块天线的输出端经信号隔离安全栅模块与差分GPS模块的输入端连接，差分GPS模块的输出端连接通讯模块的输入端，惯性测量模块和通讯模块的输出端与工控机连接，电源模块的输出端与电源转换模块的输入端连接，电源转换模块的输出端输出各模块所需的供电电压，工控机根据采集的视觉信息、激光雷达信息、差分GPS信息、里程信息和惯性信息，实现机器人精确定位，并基于定位结果构建厂区的环境模型和地图；

所述方法如下：

在工控机上建立第一位姿估计单元、第二位姿估计单元、第三位姿估计单元、第四位姿估计单元、坐标转换模块、信息综合模块、建图模块和集成估计模块，步骤如下：

(1)通过第一位姿估计单元、第二位姿估计单元、第三位姿估计单元、第四位姿估计单元分别获得四种定位方式得到的位姿信息，并输入到坐标转换模块；其中，第一位姿估计单元通过差分GPS模块与惯性测量模块组合导航获得位姿信息，输出惯导中心相对于世界坐标系的第一位姿估计；第二位姿估计单元根据激光雷达信息，通过扫描匹配的运动估计方法获得位姿信息，输出激光雷达中心相对于世界坐标系的第二位姿估计；第三位姿估计单元根据视觉信息，采用视觉里程计方法获得位姿信息，输出视觉模块中心相对于世界坐标系的第三位姿估计；第四位姿估计单元通过里程信息与惯性测量模块获取的方位角信息组合，通过扩展卡尔曼滤波器融合获得位姿信息，输出惯导中心相对于世界坐标系的第四位姿估计；

(2)坐标转换模块将四种位姿估计结果统一到以机器人质心为坐标系原点的机器人坐标系下，并将经过坐标变换的四个位姿估计结果输入到信息综合模块；

(3)信息综合模块利用自适应加权评估方法进行机器人位姿信息的综合评估，将评估后的位姿结果分别输入到建图模块和集成估计模块；

(4)建图模块根据机器人当前位姿，经过坐标转换得到激光雷达位姿，结合激光扫描获得的点云信息匹配到已构建地图，实现增量式地图构建；

(5)集成估计模块结合信息综合模块的位姿信息和建图模块的点云地图信息，计算相对于地图的精确机器人位姿估计；

(6)存储环境模型，对建模数据进行人工标识；

(7)当环境发生局部变化时，对地图进行动态更新。

2.根据权利要求1所述环境建模与地图构建方法，其特征在于：在步骤(2)中，利用第一～第四位姿估计L_i以及对应的位姿传感器相对于机器人质心的安装位置变换矩阵T_i，得到机器人质心相对于世界坐标系的位姿估计p_i：

p_i＝L_i·T_i^-1

上式中，下标i＝1,2,3,4，分别表示四种位姿估计。

3.根据权利要求2所述环境建模与地图构建方法，其特征在于：在步骤(3)中，机器人位姿信息的综合评估值P：

上式中，α_i为p_i对应的权重，其初始值由人为设定，在机器人运行过程中，α_i的取值根据环境变化自适应地改变。