用于同时定位和地图构建的方法和移动平台与流程

1.本技术涉及移动平台技术领域，尤其涉及一种用于同时定位和地图构建的方法和移动平台。


背景技术：

2.目前，移动平台通常采用同步定位和地图构建(simultaneous localization and mapping，slam)技术生成环境地图，并进行自主定位。
3.其中，基于激光雷达(lidar)的slam架构的发展较为成熟，广泛应用在无人搬运车(automated guided vehicle，agv)、自主移动机器人(autonomous mobile robot，amr)、自动驾驶汽车、服务机器人和扫地机器人等移动平台应用中。然而，由于激光雷达的slam架构需要设置构造复杂且成本较高的激光雷达，使得应用此架构的移动平台存在产品成本高的问题。此外，由于激光雷达的运作原理是通过马达带动来运行，其容易受到震动因素导致工作异常，且传动件也容易损耗，造成产品耐用性低以及损坏率高的问题。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供一种用于同时定位和地图构建的方法和移动平台，可以有效解决现有slam技术的应用中，移动平台因需要设置激光雷达而存在产品成本高、耐用性低以及产品损坏率高的问题。
5.为了解决上述技术问题，本技术是这样实现的：
6.第一方面，提供了一种用于同时定位和地图构建的方法，其包括如下步骤：移动平台基于运动轨迹进行移动时，持续采集并存储移动平台的里程计数据和环境感测数据；每当累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据时，将其合并得到环境信息；根据当前地图及持续获得的里程计数据和环境信息执行同时定位和地图构建程序；以及重复执行上述步骤，直到移动平台完成运动轨迹。
7.第二方面，提供了一种移动平台，其包括：里程计、环境感测器、存储器以及处理器，存储器连接里程计和环境感测器，处理器连接里程计、环境感测器和存储器。里程计用于在移动平台基于运动轨迹进行移动时，持续采集移动平台的里程计数据；环境感测器用于在移动平台基于运动轨迹进行移动时，持续采集移动平台的环境感测数据；存储器用于持续存储移动平台的里程计数据和环境感测数据。处理器用于每当存储器累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据时，将其合并得到环境信息；根据当前地图及持续获得的里程计数据和环境信息执行同时定位和地图构建程序；以及重复执行上述步骤，直到移动平台完成运动轨迹。
8.在本技术实施例中，移动平台应用所述用于同时定位和地图构建的方法时，可以一边移动、一边持续采集里程计数据和环境感测数据，以合成出近似激光雷达360度扫描所感测到的周围环境信息。所得到的环境信息可被提供于执行同时定位和地图构建程序，进而更新移动平台姿态与地图。因此，所述移动平台可以在不设置成本较高的激光雷达的情
况下，通过相对数据量较少的环境感测数据搭配里程计数据，还原出足以稳定进行同时定位和地图构建运算的环境信息，达到定位准确、降低产品成本与提高产品耐用性的技术功效。
附图说明
9.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
10.图1为依据本技术的移动平台的一实施例框图；
11.图2为依据本技术的移动平台的环境感测器的一实施例配置示意图；
12.图3为移动中的图2的移动平台于时间点t1至t4的环境感测器的感测方向示意图；
13.图4为移动中的图2的移动平台于时间点t1至t4的移动方向示意图；
14.图5为移动中的图2的移动平台于时间点t1至t4的移动过程中在相对坐标系中累积的相对坐标点示意图；
15.图6为依据本技术的移动平台的另一实施例框图；
16.图7为依据本技术的用于同时定位和地图构建的方法的一实施例方法流程图；以及
17.图8为图7中步骤230所述的同时定位和地图构建程序的一实施例方法流程图。
具体实施方式
18.以下将配合相关附图来说明本发明的实施例。在这些附图中，相同的标号表示相同或类似的组件或方法流程。
19.必须了解的是，使用在本说明书中的“包含”、“包括”等词，是用于表示存在特定的技术特征、数值、方法步骤、作业处理、组件和/或组件，但并不排除可加上更多的技术特征、数值、方法步骤、作业处理、组件、组件，或以上的任意组合。
20.必须了解的是，当组件描述为“连接”或“耦接”至另一组件时，可以是直接连结、或耦接至其他组件，可能出现中间组件。相反地，当组件描述为“直接连接”或“直接耦接”至另一组件时，其中不存在任何中间组件。
21.请参阅图1，其为依据本技术的移动平台的一实施例框图。如图1所示，移动平台100包括：里程计110、环境感测器120、存储器130以及处理器140，存储器130连接里程计110和环境感测器120，处理器140连接里程计110、环境感测器120和存储器130。其中，环境感测器120和处理器140的数量可为但不限于一个；存储器130和里程计110之间、存储器130和环境感测器120之间、处理器140和里程计110之间、处理器140和环境感测器120之间以及处理器140和存储器130之间可以通过有线方式进行连接，但本实施例并非用以限定本技术。举例而言，环境感测器120和处理器140的数量可为多个；在一例子中，环境感测器120的数量为3个时，所述3个环境感测器120的光轴呈预定角度的夹角(即所述3个环境感测器120设置于移动平台100的角度数据)，以使相邻两个环境感测器120的视场有重叠部分(相邻两个环境感测器120的光轴的夹角由预定的重叠部分百分比以及预定的视场大小决定)；存储器130和里程计110之间、存储器130和环境感测器120之间、处理器140和里程计110之间、处理器140和环境感测器120之间以及处理器140和存储器130之间可以通过无线方式进行连接。
22.在实际实施中，里程计110可以是惯性测量单元(inertial measurement unit，imu)或轮式里程计；环境感测器120可以是利用飞行时间(time of flight)原理测量距离的传感器，例如激光测距传感器、红外测距传感器、超声波传感器或rgbd相机；存储器130包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件；处理器140可以是精简指令集计算机(reduced instruction set computer，risc)或微控制单元(microcontroller unit，mcu)，也可以是通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬体组件。
23.在本实施例中，里程计110用于在移动平台100基于运动轨迹进行移动时，持续采集移动平台100的里程计数据；环境感测器120用于在移动平台100基于运动轨迹进行移动时，持续采集用来计算移动平台100的感测距离以及感测方向的环境感测数据(即移动平台100与周围环境被测物体(例如墙壁、障碍物等)之间的距离相关信息)；存储器130用于持续存储移动平台100的里程计数据和环境感测数据。处理器140用于每当存储器130累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据(例如：150个里程计数据和150个环境感测数据)时，将里程计数据和环境感测数据合并得到环境信息；根据当前地图及持续获得的里程计数据和环境信息执行同时定位和地图构建程序；以及重复执行上述步骤，直到移动平台100完成运动轨迹。其中，所述运动轨迹不限于任何形式的移动，当前地图可存储于存储器130或处理器140的内部存储器中。
24.在一实施例中，处理器140还用于每当累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据时，基于在合并时间点当下所获取的里程计数据，并搭配累积的每一个所述里程计数据，将累积的每一个环境感测数据转换并合并成环境信息。环境信息例如是以移动平台100为中心而沿各角度(或各方向)所测量到的距离，因此，环境信息相当于包含了移动平台100周围环境的信息。换句话说，所述环境信息实质上与所述移动平台在以其自身为中心扫描周围环境所得到的信息相同。上述环境感测器120采集环境感测数据的感测方向可与环境感测器120设置于移动平台100的位置有关，且在本实施例中，若将移动平台100的中心作为参考点，并将移动平台100的前进方向设为0度作为角度的参考基准，那么环境感测器120采集环境感测数据的感测方向(例如环境感测器120的光轴指向)也可用角度来表示。
25.举例而言，请参阅图2，其为依据本技术的移动平台的环境感测器的一实施例配置示意图。如图2所示，当环境感测器120的数量为3个时，3个环境感测器120的感测方向可分别为0度(即环境感测器120的光轴指向移动平台100的前进方向，如图2的虚线箭头50所示)、90度(即环境感测器120的光轴指向移动平台100的右侧，如图2的虚线箭头52所示)和-90度(即环境感测器120的光轴指向移动平台100的左侧方向，如图2的虚线箭头54所示)。另外，每一个里程计数据可以用(x,y,θ)表示，其中，x、y为移动平台100在相对坐标系下的二维平面的位置，x表示在相对坐标系(relative coordinate system，在此可指以移动平台100为坐标系原点的坐标系)中所在的横轴位置，y表示在相对坐标系中所在的纵轴位置，θ表示移动平台100的偏航角(即在x轴、y轴所在二维平面的方向)。因此，处理器140即可根据移动平台100在每一个数据采集点所获取的里程计数据和所述3个环境感测器120各自的感
测方向，获取环境感测器120在每一个数据采集点时所测量到的距离值。这些距离值可以进一步转换成相对坐标系中每一个环境感测器120和其感测到的环境之间的相对坐标点，且当累积到足够多笔数据时，处理器140便可利用当下的里程计数据并搭配已累积到的里程计数据，将这些相对坐标点转换并合并成环境信息(用以表示移动平台100周围环境的信息)，从而模拟出等同或类似于360度激光雷达或激光扫描的效果。如此一来，可以保证稳定执行所述同时定位和地图构建程序。
26.更详细地说，请参阅图3至图5，图3为移动中的图2的移动平台于时间点t1至t4的环境感测器的感测方向示意图，图4为移动中的图2的移动平台于时间点t1至t4的移动方向示意图，图5为移动中的图2的移动平台于时间点t1至t4的移动过程中在相对坐标系中累积的相对坐标点示意图。所述3个环境感测器120在移动平台100上的设置位置是固定的；当移动平台100于时间点t1至t4进行移动(移动平台100于时间点t1至t4的位置如图4中的圆圈所示，移动平台100于时间点t1至t4的移动方向如图4中的箭头所示)时，所述3个环境感测器120的感测方向随之改变，如图3和图4所示。处理器140可根据所述3个环境感测器120于时间点t1至t4的感测方向和里程计110于时间点t1至t4所获取的里程计数据(所述里程计数据可包括移动平台100的移动方向的相关数据以及位置相关数据)，获取移动平台100于时间点t1至t4时每一个环境感测器120所感测到的距离值。
27.其中，可用相对坐标系来描述所述距离值(即利用相对坐标系中的相对坐标点呈现所述距离值)，而获得如图5所示的移动平台100于时间点t1至t4的移动过程中累积的相对坐标点。在此，p1a、p1b、p1c为所述3个环境感测器120在时间点t1所感测到的相对坐标系中的相对坐标点，p2a、p2b、p2c为所述3个环境感测器120在时间点t2所感测到的相对坐标系中的相对坐标点，p3a、p3b、p3c为所述3个环境感测器120在时间点t3所感测到的相对坐标系中的相对坐标点，p4a、p4b、p4c为所述3个环境感测器120在时间点t4所感测到的相对坐标系中的相对坐标点。需注意的是，由于移动平台100于时间点t1和t2的移动方向都是向其前方行进，使得相对坐标点p1b和p2b重叠。
28.当时间点t1至t4已累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据时，处理器140即可基于在合并时间点t4所获取的里程计数据，并利用在时间点t1至t4累积的相对坐标点，转换得出移动平台100在时间点t4时对应的环境信息，以模拟出360度激光雷达或激光扫描在时间点t4时可感测到的环境信息。以此类推，当时间点t5至t8已累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据时，处理器140可利用在时间点t5至t8累积的相对坐标点，并以合并时间点t8所获取的里程计数据为基础，将时间点t5至t8累积的相对坐标点转换为移动平台100在时间点t8时对应的环境信息。最后，处理器140可整合移动平台100在移动过程中所得到的环境信息，进而获得移动平台100所在的移动环境的地图。
29.在一实施例中，所述同时定位和地图构建程序包括：基于当前采集到的里程计数据和当前地图更新移动平台100的移动量；以及根据环境信息和更新后的移动平台100的移动量校正移动平台100的姿态，并更新当前地图。其中，处理器140可根据环境信息和更新后的移动平台100的移动量，通过同时定位和地图构建算法来校正移动平台100的姿态，并更新当前地图。
30.在一实施例中，处理器140还用于根据得到的第一个环境信息获取作为当前地图的初始地图和移动平台100的初始姿态。也就是说，移动平台100的初始地图和初始姿态可
以根据第一个环境信息构建或初始化。
31.在一实施例中，处理器140除了用于将存储器130累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据合并成所述环境信息以外，还用于每当经过默认时间时，将在所述默认时间内累积存储的里程计数据和环境感测数据合并，以得到所述环境信息。其中，所述默认时间可为但不限于300毫秒，但本实施例并非用以限定本技术，可依据实际需求进行调整。
32.在一实施例中，处理器140除了用于将存储器130累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据合并成所述环境信息以外，还用于在移动平台100基于所述运动轨迹移动的过程中，当基于移动平台100的姿态及持续获得的里程计数据而判断移动平台100的环境感测器120的视角(field of view，fov)改变超过默认角度时，将所述视角改变至超过所述默认角度的期间所累积存储的里程计数据和环境感测数据合并得到所述环境信息。其中，所述默认角度可为但不限于90度，但本实施例并非用以限定本技术，可依据实际需求进行调整。
33.举例而言，当环境感测器120的数量为1个时，所述默认角度可为但不限于90度；当环境感测器120的数量为3个，且所述3个环境感测器120设置于移动平台100的角度数据可包括所述3个环境感测器120的光轴分别为90度、0度(即移动平台100的前进方向)和-90度时，所述默认角度可为但不限于30度。
34.从上述实施例可知，处理器140可在每当存储器130累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据时、在每当经过一段默认时间时或在判断移动平台100的环境感测器120的视角改变超过一定默认角度时，将累积的里程计数据和环境感测数据合并得到所述环境信息。
35.然而，在其他实施例中，处理器140可在存储器130累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据且判断移动平台100的环境感测器120的视角改变超过默认角度时，将累积的里程计数据和环境感测数据合并得到所述环境信息。在其他实施例中，处理器140可在存储器130累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据且经过默认时间时，将累积的里程计数据和环境感测数据合并得到所述环境信息。在其他实施例中，处理器140可判断移动平台100的环境感测器120的视角改变超过默认角度且经过默认时间时，将累积的里程计数据和环境感测数据合并得到所述环境信息。在其他实施例中，处理器140可存储器130累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据，经过默认时间，且判断移动平台100的环境感测器120的视角改变超过默认角度时，将累积的里程计数据和环境感测数据合并得到所述环境信息。
36.因此，在本技术中，处理器140可根据累积存储的数据数量(即累积存储的里程计数据和环境感测数据的数量)、采集数据的时间(即默认时间)和视角变化(即环境感测器120的视角改变超过默认角度)其中任一项或组合，来决定将累积的里程计数据和环境感测数据合并得到所述环境信息。
37.在一实施例中，里程计110所持续采集到的里程计数据和环境感测器120所持续采集到的环境感测数据通过处理器140存储到存储器130(如图6所示，图6为依据本技术的移动平台的另一实施例框图)。在另一实施例中，里程计110所持续采集到的里程计数据和环境感测器120所持续采集到的环境感测数据直接存储到存储器130(如图1所示)。
38.在一实施例中，存储器130为处理器140的内部存储器(如图6所示)。
39.在一实施例中，处理器140可包括合并单元142与同时定位和地图构建单元144，合并单元142连接同时定位和地图构建单元144(如图6所示)；存储器130可存储程序代码，处理器140执行所述程序代码以产生合并单元142与同时定位和地图构建单元144；合并单元142用于每当存储器130累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据时，将其合并得到环境信息；同时定位和地图构建单元144用于根据当前地图及持续获得的里程计数据和环境信息执行同时定位和地图构建程序。
40.请参阅图1和图7，图7为依据本技术的用于同时定位和地图构建的方法的一实施例方法流程图。在本实施例中，所述用于同时定位和地图构建的方法可应用于移动平台100，且包括如下步骤：移动平台100基于运动轨迹进行移动时，持续采集并存储移动平台100的里程计数据和环境感测数据(步骤210)；每当累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据时，将其合并得到环境信息(步骤220)；根据当前地图及持续获得的里程计数据和环境信息执行同时定位和地图构建程序(步骤230)；以及重复执行步骤210至步骤230，直到移动平台100完成运动轨迹(步骤240)。其中，步骤210由里程计110和环境感测器120执行；步骤220和步骤230由存储器130和处理器140执行；详细说明可以参考上述移动平台100的相关描述，在此不再赘述。
41.在一实施例中，步骤220可包括：每当累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据时，基于在合并时间点当下所获取的里程计数据，并搭配累积的每一个里程计数据，将累积的每一个环境感测数据转换并合并成环境信息，且环境信息实质上与移动平台在以其自身为中心扫描周围环境所得到的信息相同。因此，可获得模拟360度激光雷达或激光扫描的所述环境信息，详细说明可以参考上述移动平台100的相关描述，在此不再赘述。
42.在一实施例中，请参阅图1、图7和图8，图8为图7中步骤230所述的同时定位和地图构建程序的一实施例方法流程图。如图8所示，步骤230所述的同时定位和地图构建程序包括：基于当前采集到的里程计数据和当前地图更新移动平台100的移动量(步骤310)；以及根据环境信息和更新后的移动平台100的移动量校正移动平台100的姿态，并更新所述当前地图(步骤320)。其中，步骤320可包括：根据环境信息和更新后的移动平台100的移动量，通过同时定位和地图构建算法来校正移动平台100的姿态，并更新所述当前地图。
43.在一实施例中，所述用于同时定位和地图构建的方法还可包括：根据得到的第一个环境信息获取作为当前地图的初始地图和移动平台100的初始姿态。也就是说，移动平台100的初始地图和初始姿态可以根据第一个环境信息构建或初始化。
44.在一实施例中，所述用于同时定位和地图构建的方法还可包括：每当经过默认时间时，将在所述默认时间内累积存储的里程计数据和环境感测数据合并，以得到所述环境信息。详细说明可以参考上述移动平台100的相关描述，在此不再赘述。
45.在一实施例中，所述用于同时定位和地图构建的方法还可包括：移动平台100基于运动轨迹移动的过程中，当基于移动平台100的姿态及持续获得的里程计数据而判断移动平台100的环境感测器的视角改变超过默认角度时，将所述视角改变至超过所述默认角度的期间所累积存储的里程计数据和环境感测数据合并得到所述环境信息。详细说明可以参考上述移动平台100的相关描述，在此不再赘述。
46.在一实施例中，所述用于同时定位和地图构建的方法还可包括：当存储器130累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据，且判断移动平台100的环境感测器120的视角
改变超过默认角度时，将累积的里程计数据和环境感测数据合并得到所述环境信息。
47.在一实施例中，所述用于同时定位和地图构建的方法还可包括：当存储器130累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据且经过默认时间时，将累积的里程计数据和环境感测数据合并得到所述环境信息。
48.在一实施例中，所述用于同时定位和地图构建的方法还可包括：当判断移动平台100的环境感测器120的视角改变超过默认角度且经过默认时间时，将累积的里程计数据和环境感测数据合并得到所述环境信息。
49.在一实施例中，所述用于同时定位和地图构建的方法还可包括：当存储器130累积存储一定数量的里程计数据和环境感测数据，经过默认时间，且判断移动平台100的环境感测器120的视角改变超过默认角度时，将累积的里程计数据和环境感测数据合并得到所述环境信息。
50.综上所述，本技术实施例中，移动平台应用所述用于同时定位和地图构建的方法时，可以一边移动、一边执行同时定位和地图构建程序，将持续采集的里程计数据和环境感测数据合成近似激光雷达的感测数据的环境信息，因此，所述移动平台可以在不设置成本较高的激光雷达的情况下，达到定位准确、降低产品成本与提高产品耐用性的技术功效。
51.虽然在本技术的图式中包含了以上描述的组件，但不排除在不违反发明的精神下，使用更多其他的附加组件，已达成更佳的技术效果。
52.虽然本发明使用以上实施例进行说明，但需要注意的是，这些描述并非用于限缩本发明。相反地，此发明涵盖了所属技术领域中的技术人员显而易见的修改与相似设置。所以，权利要求范围须以最宽广的方式解释来包含所有显而易见的修改与相似设置。