[发明专利]一种基于同步定位与地图构建技术的机器人设备校准方法

权利要求书

1.一种基于同步定位与地图构建技术的机器人设备校准方法，其特征在于，主要包括获取姿势转换(一)；运动与求解参数之间的关系(二)；离线机器人-同步定位与地图构建设备校准(三)；在线位置调整(四)。

2.基于权利要求书1所述的同步定位与地图构建(SLAM)技术，其特征在于，将实时三维感测装置称为“SLAM装置”；SLAM设备具有传感、映射外部环境和实时估计自身位置和姿态的功能；由于机器人本身只知道内部状态，并且必须通过SLAM设备获取环境中的位置和方向；照相机和机器人手臂之间的校准被称为手眼校准；

在系统中，使用了地图坐标系、“SLAM设备”坐标系、SLAM设备所安装的机器人框架的“头部”坐标系以及接触地板的机器人部分的“脚部”坐标系；为方便起见，SLAM设备所连接的机器人框架的坐标系统称为“头部”；

处理一个未知旋转和平移的6-DoF(自由度)参数；将机器人前进的方向设为x，将机器人的垂直方向设为z；t_x，t_y,t_z是沿x、y、z轴的平移参数，并且滚动、倾斜、旋转分别是围绕轴x、y、z的旋转参数。

3.基于权利要求书1所述的获取姿势转换(一)，其特征在于，首先，解释用于计算校准参数的机器人和SLAM设备的转换的方法；为了获得机器人和SLAM装置之间的相对位置和方向，需要进行位置和方向的转换，并且取得转换前后两个位置和方向参数之间的差异；令姿势1成为头部和SLAM设备的初始姿势，并令姿势2成为它们过渡后的姿势；令M_1head和M_1sd分别为4×4矩阵，分别表示每个机器人和SLAM设备在姿态1处的位置和姿态；M_2head和M_2sd分别为在姿态2的局部坐标中的4×4位置和姿势矩阵；这些矩阵是观察值；

A表示头部从姿势1到姿势2的转换，A＝M_1head^-1M_2head；B表示SLAM设备的转换，B＝M_1sd^-1M_2sd；设X是一个未知的4×4矩阵，表示机器人和传感器之间的相对位置和方向，通过姿势2处的“头部”和姿势1处的“SLAM设备”有两个转换；前者由矩阵计算AX表示，后者由XB表示；结果在两个坐标转换中都是相同的，因此AX＝XB成立。

4.基于权利要求书1所述的运动与求解参数之间的关系(二)，其特征在于，考虑水平旋转、垂直旋转、向前运动的三种类型的运动；令R_A和R_B分别为A和B中的3×3旋转矩阵分量，k_A和k_B分别为R_A和R_B中表示旋转轴的单位矢量；设t_A和t_B为三维平移向量分量；根据AX＝XB有：

k_A＝Rk_B (1)

R_At+t_A＝Rt_B+t (2)

首先，考虑从方程(1)得到的约束；给定一组k_A和k_B，确定包含在R中的3-DoF旋转参数中，除了k_A矢量周围之外的2-DoF旋转参数；随后，考虑从方程(2)中获得的约束；方程(2)可以如下转换：

(1-R_A)t＝t_A-Rt_B (3)

旋转机器人时，并考虑将t分解k_A分量和两个单位向量t₁和t₂的情况，它与k_A正交，且满足相互正交，方程(3)中的t在k_A方向上具有一定的自由度，并且由于(1-R_A)k_A＝0，所以在t₁和t₂方向上有约束。