一種基于大氣壓的多層建筑物的地圖構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及地圖構(gòu)建領(lǐng)域，尤其涉及一種基于大氣壓的多層建筑物的地圖構(gòu)建方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為室內(nèi)環(huán)境構(gòu)建地圖一直是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。目前已經(jīng)有一些方法為室內(nèi)環(huán) 境構(gòu)建二維地圖，其相應(yīng)的三維地圖構(gòu)建方法也正在興起。移動(dòng)機(jī)器人地圖構(gòu)建方法分為 五類:度量地圖、拓?fù)涞貓D、水平傳感器地圖、基于外觀的地圖和語(yǔ)義地圖。
[0003] 度量地圖是機(jī)器人學(xué)中最為常用的一類地圖構(gòu)建方法。其中，柵格地圖又是度量 地圖中的一種。本文所述度量地圖即為用柵格地圖構(gòu)建的方式來(lái)得到的2D度量地圖。柵格 地圖是使用概率的方法來(lái)表示環(huán)境，每一個(gè)網(wǎng)格表示該位置在環(huán)境中被占用的概率，這個(gè) 值越到大表示被占用的概率越大，這個(gè)值越小表示被占用的概率越小。計(jì)算這個(gè)概率的方 法有卡爾曼濾波、粒子濾波、以及基于圖的優(yōu)化方法。
[0004] 盡管已經(jīng)有很多的二維地圖構(gòu)建方法，但卻只有少數(shù)的方法是用來(lái)構(gòu)建多層建筑 物的地圖。羅馬的盧卡·約基和斯蒂凡諾·佩萊格里尼提出了一種基于視覺(jué)測(cè)距的方法來(lái)構(gòu) 建多層建筑物的平面圖。然而，該方法需要移動(dòng)機(jī)器人順序構(gòu)建各層的地圖，而且在電梯處 需要有突出的視覺(jué)特征。
[0005] 使用多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的SLAM(即時(shí)定位與地圖構(gòu)建)方法在構(gòu)建多層建筑物地圖 方面也有類似的問(wèn)題。美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的安德魯·霍華德在其論文《多機(jī)器人使 用粒子濾波器即時(shí)定位和地圖構(gòu)建》中提出從各層機(jī)器人中獲得單張地圖，然后通過(guò)地圖 合并方法整合成為一個(gè)全局的地圖。華盛頓大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系的喬納森·柯本杰明· 斯圖爾特提出根據(jù)機(jī)器人定位彼此在各自地圖的位置，然后通過(guò)全球定位來(lái)創(chuàng)建用于合并 地圖的約束條件的方法來(lái)構(gòu)建多層建筑的地圖。
[0006] 邁克爾·卡格也提出了一種直接解決多層建筑物地圖構(gòu)建的方法。與喬納森·柯本 杰明·斯圖爾特的方法類似，他們使用全局約束去排列各樓層的地圖。他們的方法適用于多 機(jī)器人團(tuán)隊(duì)，且它是基于樓層之間的某些建筑特征是很常見(jiàn)的這個(gè)假設(shè)。單個(gè)傳感器(激光 測(cè)距儀)是用來(lái)全球定位和產(chǎn)生約束。如果在不同的樓層間某些建筑特色是重復(fù)的，對(duì)稱或 不相似。這個(gè)方法就不奏效了。此外，它并沒(méi)有解決地圖對(duì)應(yīng)建筑物的哪個(gè)樓層這個(gè)問(wèn)題， 因此，該信息必須另外手動(dòng)給出。
[0007] 本發(fā)明和以上提到的方法有著顯著的不同，不論是地圖的生成方式還是地圖所代 表的意義。本發(fā)明不僅得到了多層建筑的全局地圖，也能得到單一樓層的地圖；此外，本發(fā) 明不依賴于樓層之間相似的建筑特征，只要能得到二維的SLAM度量地圖就夠了；另一方面， 本發(fā)明目前支持單個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)?；谶@樣的事實(shí)，各樓層的地圖是可以從一個(gè)連續(xù)的，全 局的數(shù)據(jù)集中分割出來(lái)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于大氣壓的多層建筑物的地圖構(gòu)建方法，以解決現(xiàn) 有技術(shù)依賴于樓層之間的相似特征、需要多個(gè)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)合作等缺陷。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，采用如下的技術(shù)方案。一種基于大氣壓的多層建筑物的地 圖構(gòu)建方法，采用移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)探測(cè)多層建筑，所述移動(dòng)機(jī)器人包括車輪編碼器、激光測(cè) 距傳感器和氣壓傳感器，所述地圖構(gòu)建方法包括以下步驟： 一、 移動(dòng)機(jī)器人由操作人員遠(yuǎn)程操控移動(dòng)，在機(jī)器人移動(dòng)探測(cè)過(guò)程中記錄數(shù)據(jù)，所述數(shù) 據(jù)包括車輪編碼器的測(cè)量數(shù)據(jù)、激光測(cè)距傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)和氣壓傳感器的氣壓讀數(shù)； 二、 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Rao-Blackwel1ized粒子濾波處理，得到多層建筑的2D度量地圖； 三、 根據(jù)多層建筑的2D度量地圖，利用大氣壓原理分割出單層的地圖。
[0010] 本發(fā)明是建立在公開(kāi)的、開(kāi)源的硬件和軟件框架基礎(chǔ)上。能夠不依賴于樓層之間 的相似的建筑特征，不需要多個(gè)機(jī)器人的團(tuán)隊(duì)合作，只需要一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)就能夠 得到多層建筑物的2D度量地圖，再依據(jù)大氣壓原理把每一層的地圖分割出來(lái)。所述激光測(cè) 距傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)和車輪編碼器的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)Rao-Blackwellized粒子濾波算法可以 分析得到整棟樓的度量地圖。根據(jù)氣壓與高度的反比關(guān)系，所述氣壓傳感器的讀數(shù)可以分 析出樓層的轉(zhuǎn)接處，并分割出多層建筑每一層的地圖。
[0011 ] 所述步驟二的Rao-Blackwellized粒子濾波的關(guān)鍵思想是估計(jì)地圖m的聯(lián)合后驗(yàn) 分布:顧!:￡|和機(jī)器人的路徑縣。爲(wèi)。使用觀測(cè)數(shù)據(jù)_ 測(cè)量數(shù)據(jù)纖通過(guò)下式的因式分解估計(jì)得到聯(lián)合后驗(yàn)分布：
使用上述方程，可以預(yù)先估計(jì)機(jī)器人的路徑__遍^_:^1，從而根據(jù)估計(jì)的路徑 構(gòu)建環(huán)境地圖i：iJ： °
[0012]氣壓(大氣壓力）是大氣層中的物體受大氣層自身重力產(chǎn)生的作用于物體上的壓 力。因此，壓力相對(duì)于無(wú)限小的高度的變化應(yīng)正比于通過(guò)空氣的質(zhì)量在該無(wú)限小層所施加 的重力。這種關(guān)系可表示為：
其中P表示大氣壓力，Z是海拔高度，舜是空氣密度，g是重力加速度，負(fù)號(hào)表示隨著海拔 高度的升高大氣壓力不斷減小。
[0013]另外，理想的氣體定律為.
其中，R是玻爾茲曼常數(shù)，T是指溫度。因此
，由式（1)(2)可得： 根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。因此，對(duì)于恒定的重力加速度和溫度，根 據(jù)一階積分方程(3)可以得到大氣壓原理：
利用氣壓減少的事實(shí)作為機(jī)器人移動(dòng)到上層的標(biāo)志，并以氣壓增加作為機(jī)器人移動(dòng)到 低層的標(biāo)志。此外，我們假定壓力保持相對(duì)穩(wěn)定則說(shuō)明在同一層，樓層之間的壓差是相鄰層 之間的重要信息。地圖分割只考慮氣壓讀數(shù)，與現(xiàn)有的方法不同，重復(fù)、對(duì)稱或不同的建筑 特色的環(huán)境不會(huì)影響到地圖分割的性能。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是在得到多層建筑的2D度量地圖后，根據(jù)大氣壓 原理分割出每一層樓的地圖；本發(fā)明是建立在公開(kāi)的、開(kāi)源的硬件和軟件框架基礎(chǔ)上，因此 可以很容易在現(xiàn)有系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn);本發(fā)明不需要依賴多個(gè)機(jī)器人的團(tuán)隊(duì)合作，只需要一個(gè)完 整的機(jī)器人系統(tǒng)就能夠得到多層建筑物的度量地圖；本發(fā)明在分割度量地圖時(shí)只需要考慮 氣壓讀數(shù)，重復(fù)、對(duì)稱或不同的建筑特色的環(huán)境不會(huì)影響到地圖分割的性能。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是移動(dòng)機(jī)器人探測(cè)建筑得到的地上六層的2D度量地圖； 圖2是建筑八個(gè)樓層的氣壓讀數(shù)； 圖3是在一個(gè)穩(wěn)定的點(diǎn)上測(cè)量到大氣壓和溫度的變化； 圖4是移動(dòng)機(jī)器