[发明专利]一种基于多机器人协作的管道环境SLAM方法

说明书

本发明涉及一种基于多机器人协作的管道环境SLAM方法，属于机器人同时定位与构图技术领域。本发明采用机器人协作方式，将两个机器人在管道环境中组成前后队列，设计一种独特的周期蠕动方式作为两个机器人之间的协作策略，并构建多机器人位姿约束因子对机器人相对位姿进行约束，使机器人队列在管道中行进时能相互提供参照，并利用因子图优化对两个机器人的传感器进行信息融合，实现高质量的自身位姿矫正，从而获得较高的定位精度。本发明解决了激光退化以及无明显特征点这类特殊场景下的定位及三维重建技术问题，克服了由于环境高相似度导致现有SLAM方法在管道环境中应用效果差的缺点，能在管道、隧道等具有环境高相似度特征的空间中完成SLAM任务。

技术领域

本发明涉及一种基于多机器人协作的管道环境SLAM方法，属于机器人同时定位与构图(SLAM)技术领域。

背景技术

随着SLAM技术的快速发展，目前主流的SLAM技术多采用以激光和视觉为主的融合策略，但在地下管道、隧道这类特殊场景中，存在几何结构匮乏、周围环境无明显特征点、激光雷达退化、纵向失去约束且管道内部缺失GPS信号等问题，导致激光或视觉SLAM技术难以应用。例如机器人在较长的直线管道中导航时，由于管道内部结构相似度很高，激光雷达测量的结果在管道各处都一致且在管道方向没有约束，导致机器人无法定位自身位置。同样，在这种高相似度的场景内，视觉传感器也很难获取到有用的特征点或参考点，因此依赖于视觉传感器也会导致定位失败的情况发生。对于这类由于环境高相似度引起的退化问题，现有研究提出了两种解决策略。一种是通过判断激光退化的方向和程度，在融合的过程中对退化信息进行过滤或补偿，从而缓解该因素带来的定位误差问题。由于真实环境下，难以对退化信息进行精准的过滤或补偿，这些方法的应用效果难以满足实际需求。另一种则是以高精度的差速里程计和惯性导航传感器IMU融合为主，搭配其他传感器辅助来解决问题。为保证定位结果摆脱对周围环境的敏感性，通常使用光电式转速传感器里程轮或惯性测量单元(IMU)航位推算进行定位。但在管道环境中，受输送介质及管道壁影响，容易发生轮胎打滑的问题，造成系统误差剧增。而且，对于单机器人来说，由于缺乏参照，随着系统运行时间的加长，累计误差会逐渐增大，使机器人的估计位姿超出管道约束空间，整体的鲁棒性和可靠性较低。可见，针对管道环境下的SLAM问题，目前还缺乏非常有效的解决方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于多机器人协作的管道环境SLAM方法，能在管道、隧道等具有环境高相似度特征的空间中有效地完成SLAM任务，克服了由于环境高相似度导致现有SLAM方法在管道环境中应用效果差的缺点。

本发明的技术方案是：一种基于多机器人协作的管道环境SLAM方法，具体步骤为：

Step1：在管道环境中，将两个机器人组成前后队列，前面的领航者命名为Leader，后面的跟随者命名为Follower，机器人队列的具体配置如下：

Step1.1：Leader和Follower之间采用广播方式进行通信，实现数据信息的交换；

Step1.2：每个机器人上均搭载高精度的轮式里程计、惯性导航传感器对自身运动进行基本定位；

Step1.3：Leader上搭载超声波传感器对Follower进行观测，获得Leader与Follower之间相对距离的观测值，Leader接收观测值并实时发送给Follower；

Step1.4：考虑到管道的进出口位置可能接收到GPS信号，在两个机器人上均搭载GPS接收机，利用进出口位置的GPS信号进一步减少累计误差；

Step1.5：为了实现对管道环境的三维重建，Leader上搭载1台16线激光雷达利用自身融合后的位姿进行点云投影，完成管道三维重建；

Step2：机器人队列采用周期蠕动式协作策略沿管道轴向运动，每个蠕动周期分为伸展和收缩两个阶段；