[发明专利]基于AprilTag与激光雷达的移动机器人自动跟随避障方法

权利要求书

1.一种基于AprilTag与激光雷达的移动机器人自动跟随避障方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、构建移动机器人平台，使激光雷达和相机同在移动机器人的前进方向中轴线上，并无横向上的偏移量；

步骤2、对相机进行标定，构建相机像素坐标系和世界坐标系的转换矩阵，即像素值与真实世界尺度的映射关系；

步骤3、确定移动机器人真实速度与代码控制速度的比例参数；

步骤4、在跟随目标的背后显著处粘贴AprilTag码；

步骤5、将单目相机中呈现的Apriltag码中心所占取的像素位置和距离相机中心的像素距离根据像素坐标系与真实世界坐标系的转换矩阵计算出AprilTag码在移动机器人视野中心的X方向、Y方向投影距离和纵向距离Z；根据纵向距离Z和X方向的偏移距离进行机器人自身速度计算，并测算跟随目标相对于机器人的移动速度，根据机器人与跟随目标之间的真实距离和跟随目标以机器人为参考系的相对速度，综合得出移动机器人的最终速度；同时用激光雷达作为辅助定位方式，确保精度、可信度和鲁棒性的提高；

步骤6、在移动机器人跟随目标的过程中，用激光雷达扫描周围环境得到的点云信息进行处理，过滤地面点云信息；将处理后的点云信息以鸟瞰图的形式作为局部避障的环境信息，得出可通行区域，进行避障动作，并在到达安全点后进行搜寻动作；

步骤7、在跟随过程中出现目标丢失或目标遮挡的情况下，根据丢失点的目标信息并记录转向指标，估算出固定时间内移动机器人到达丢失点的速度，并保持速度到固定时间结束；此时机器人到达目标丢失点，根据转向指标进行车辆转向，在机器人当前方向与转向指标所指向的方向区间内寻找丢失的跟随目标，以转到转向指标所指向方向为上限截止。

2.根据权利要求1所述的基于AprilTag与激光雷达的移动机器人自动跟随避障方法，其特征在于，步骤1中，所述移动机器人平台，包括机器人底盘、微型电脑、锂电池、相机、激光雷达；所述机器人底盘设置有实现转向功能的驱动轮组和串口接收器，所述锂电池用于为机器人底盘提供电源，所述激光雷达和相机连接于所述微型电脑，所述微型电脑连接于所述机器人底盘的串口接收器。

3.根据权利要求1所述的基于AprilTag与激光雷达的移动机器人自动跟随避障方法，其特征在于，步骤2中，对相机参数进行标定，根据Apriltag码在像素坐标系的像素位置和大小对应计算出真实世界坐标尺度中AprilTag码的实际大小和位置，对应关系如下所示：

式中，(u₀，v₀)为相机光心，即光学系统中心在像素坐标系下的坐标值，f为相机的焦距，(x_w，y_w，z_w)为物体质点；在真实世界的坐标值，R为相机坐标系到真实坐标系的旋转矩阵，T为相机坐标系到真实世界坐标系的平移矩阵，(u_i，v_j)为物体在像素坐标系下的坐标值，Z_ck为真实世界坐标系下物体质点到机器人中心的物理距离。

4.根据权利要求1所述的基于AprilTag与激光雷达的移动机器人自动跟随避障方法，其特征在于，步骤5中，确定跟随目标位置时，将相机AprilTag码定位的技术方案得出的跟随目标的三维距离，通过ROS系统将AprilTag识别定位模块打包为ROS功能包，并利用ROS中的订阅发布机制，以话题的形式将机器人和跟随目标的角度发送给激光雷达的数据处理模块，由激光雷达通过对应角度的点云数据进行定位并加以确认。

5.根据权利要求1所述的基于AprilTag与激光雷达的移动机器人自动跟随避障方法，其特征在于，步骤6中，在激光雷达进行点云处理时，如果是多线雷达产生的点云数据，通过点云数据处理模块进行合并简化，即鸟瞰的视角将多线雷达的点云数据合并，同一激光射线方向过滤掉较远处的点云数据，保留近处的点云数据，并以过滤后的鸟瞰形式点云作为局部避障的根据。