CN116698016B - 复杂狭窄空间微型雷达阵列建图***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂狭窄空间微型雷达阵列建图***及方法，该***包括微型雷达建图阵列、微型雷达数据采集模块、上位机和机器人平台；该***基于微型雷达建图阵列采样得到环境样本数据，基于上位机的导航软件，根据地形突变识别匹配算法进行阵列导航计算，得到机器人当前时刻的导航信息；上位机的建图软件建立包括微型雷达探测模型和微型雷达阵列模型的360°3D建图模型；基于导航软件得到机器人质心在地面坐标系下的坐标，基于360° 3D建图模型生成场景的360°地图。实现机器人在地形复杂多变的未知环境中进行360°建图和不依赖光线条件全景勘测。本发明建图精度高、成本低、实时性好，能够在实际场景中得到广泛应用。

Description

复杂狭窄空间微型雷达阵列建图***及方法

技术领域

本发明属于勘测、导航与控制技术领域，具体涉及一种复杂狭窄空间微型雷达阵列建图***及方法。

背景技术

在黑暗无光环境下传统的地形勘测手段如相机等难以发挥作用。近年来，基于激光雷达的SLAM技术对于黑暗无光环境的探测受到业界关注。当前激光雷达SLAM技术采用多线激光雷达进行环境勘测，但多线激光雷达体积大、质量重，同时多线激光雷达对环境采样数据量大，对于机器人上所搭载的计算机的算力要求高，往往无法实现高频采样，难以在微小型机器人上实现。

发明内容

为解决黑暗无光环境下微小型机器人难以实现高频率360°建图的问题，本发明提供了一种复杂狭窄空间微型雷达阵列建图***及方法，旨在基于微小型机器人平台上微型雷达建图阵列***在黑暗无光的室内环境进行360°建图，实现微小型机器人在地形复杂多变的环境中进行建图勘测的能力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

复杂狭窄空间微型雷达阵列建图***，包括微型雷达建图阵列、微型雷达数据采集模块、上位机和机器人平台，上位机的软件***中含有导航软件和建图软件；

所述机器人平台为空中机器人运动平台、地基移动机器人运动平台、陆空两栖机器人或水下机器人运动平台；

所述微型雷达建图阵列中微型雷达的类型为激光雷达、超声波雷达、毫米波雷达或三种微型雷达混合搭配；此外，对于水下环境，则选择主动式声呐探头构成阵列；所述微型雷达建图阵列进行环境信息采样得到环境样本数据并传递给微型雷达数据采集模块；

所述微型雷达数据采集模块将采集到的环境样本数据传递给上位机的导航软件；

所述上位机的导航软件，得到机器人当前时刻的位置、速度、姿态信息并传递给建图软件；

所述上位机的建图软件构造所在环境的360°3D建图模型，该建图模型基于微型雷达探测模型与微型雷达阵列模型生成，该360°3D建图模型是复杂狭窄空间全景3D地图的组成单元。

所述微型雷达建图阵列固定安装于机器人平台上，各微型雷达朝远离机体的方向探测环境信息；在每个朝向上设置由多个微型雷达所构成的阵列，微型雷达建图阵列的形式有矩形阵列、H形阵列、多边形阵列、圆形阵列；或者建立在上述阵列形式下的变形，即将阵列中微型雷达位置向前、向后、向上、向下的平行移动；以及上述阵列形式的组合，即椭圆形阵列、矩形的一部分与圆形一部分或者弧形一部分所构成的组合阵列、圆形或者弧形的一部分所构成的圆弧形阵列或弧段形阵列；整个微型雷达建图阵列由n个微型雷达组成；所有微型雷达定位于机器人的机体坐标系，微型雷达建图阵列中微型雷达的安装角度包括在机体坐标系OXYZ下微型雷达的仰角和方位角/>，其中仰角/>为机体坐标系下微型雷达朝向与/>平面的夹角，方位角/>为机体坐标系下微型雷达朝向与/>平面的夹角。

微型雷达建图阵列中的微型雷达以测量周围环境信息，按照预设频率同步或序贯采样测量机器人与周围环境中建筑、壁面、物体之间的相对距离信息，上位机获得微型雷达的采样数据。

所述微型雷达探测模型基于微型雷达的两个参数：视场角与测量距离d；微型雷达波束在所测量环境、物体上形成投影面，投影面的形状受到环境物体形状的影响，其波束覆盖面等价为半径为/>的圆，其中测量距离/>代表覆盖区域内物体到微型雷达天线的距离；

所述微型雷达阵列模型中，机体坐标系上任意第i个微型雷达的坐标为，其安装角为/>，/>，其中下标b表示在机体坐标系下，上标/>表示此坐标值为微型雷达坐标，测量距离为/>；则该微型雷达测量区域中心点的坐标代表所测量环境信息：

微型雷达建图阵列中所有微型雷达在机体坐标系下的坐标/>为：

同一个采样周期微型雷达建图阵列采集环境所得到的样本信息表示为：/>微型雷达建图阵列对环境采样的量测值/>在机器人机体坐标系下为:/>其中/>为采集的样本信息变换到机体坐标系下的变换矩阵：/>。

所述的复杂狭窄空间微型雷达阵列建图***的建图方法，将微型雷达建图阵列所获得的环境采样信息转化至初始时刻所确定的地面坐标系，需要根据机器人的姿态对环境采样信息进行坐标变换，坐标转换矩阵为：

其中/>为机器人偏航角，/>为俯仰角，/>为滚转角，将机体坐标系下量测值/>旋转为与地面坐标系平行则需将量测值/>左乘坐标转换矩阵C；

基于导航软件得到机器人质心在地面坐标系下的坐标，机器人质心在地面坐标系下的坐标/>；

基于机器人机体坐标系下微型雷达建图阵列在同一周期的量测值与地面系下机器人质心在地面坐标系下的坐标/>的叠加，得到该时刻微型雷达阵列对环境采样在地面坐标系下的坐标：

其中/>；

将环境采样的量测值转化至地面坐标系并且将三维空间中所占据的栅格标出以构成三维地形图。

本发明和现有技术相比较，具备如下优点：

通过微型雷达建图阵列对周围环境信息进行并行采样，采集样本数据量小，计算速度快，采样频率高，建图***允许在机器人前端计算机运行，因此可以在微小型机器人上应用，进而使用微小型机器人对黑暗狭小坑道环境进行勘测，能够很好的反应周围环境特征。建图完整性与清晰度能保证的同时，避免了传统技术数据量大，对算力要求高的缺点，实现在前端实时建图，保证整个机器人***的实时性。

附图说明

图1为复杂狭窄空间微型雷达阵列建图***框图；

图2为矩形微型雷达建图阵列示意图；

图3为错边矩形微型雷达建图阵列示意图；

图4为H形微型雷达建图阵列示意图；

图5为多边形微型雷达建图阵列示意图；

图6为圆形微型雷达建图阵列示意图；

图7为矩形与圆弧结合形式微型雷达建图阵列示意图；

图8为本发明建立的360°三维地形全景图；

图9为本发明建立的360°三维地形透视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本实施例所述的复杂狭窄空间微型雷达阵列建图***，包括微型雷达建图阵列、微型雷达数据采集模块、上位机和机器人平台。基于机器人平台的微型雷达建图阵列进行环境信息采样得到环境样本数据，并传递给微型雷达数据采集模块。微型雷达建图阵列安装于机器人平台上，微型雷达建图阵列的典型形式有矩形微型雷达建图阵列、H形微型雷达建图阵列、多边形微型雷达建图阵列、圆形微型雷达建图阵列以及它们的等意义变形如椭圆形阵列、矩形与圆形结合体、圆弧的弧段形阵列。典型的矩形微型雷达建图阵列如附图2所示，其中1表示机器人平台，2表示微型雷达，微型雷达成矩形排布，3表示微型雷达数据采集模块与上位机集成模块。其余依据矩形阵列结构所发生变化也应在本发明保护范围内，例如附图3所示的错边矩形微型雷达建图阵列，微型雷达成矩形排布，矩形边缘并不直接相连。典型的H形微型雷达阵列如附图5所示，微型雷达成H形排布；多边形微型雷达阵列如附图4所示，微型雷达成多边形排布；圆形微型雷达阵列如附图6所示，微型雷达成圆形排布，或者建立在上述阵列形式下的变形，即将阵列中微型雷达位置的向前、向后、向上、向下的平行移动；以及上述阵列形式的组合，也应涵盖在本发明的保护范围内，例如矩形与圆弧结合形式微型雷达建图阵列，如附图7所示，微型雷达以矩形和圆弧形结合排布，其余阵列构成形式不一一列出。微型雷达数据采集模块将采集到的环境样本数据传递给上位机的导航软件，导航软件得到机器人当前时刻的位置、速度、姿态等导航信息并传递给建图软件。建图软件构造所在环境的360°3D建图模型，该建图模型基于微型雷达探测模型与微型雷达阵列模型生成，该360°3D建图模型是生成复杂狭窄空间全景3D地图的组成单元。其具体实施过程如下：

（1）基于机器人平台的微型雷达建图阵列进行环境信息采样得到环境样本数据以及环境样本时间标签，并传递给微型雷达数据采集模块。

本具体实施例的微型雷达建图阵列采用矩形微型雷达阵列，安装在机器人平台上、下、左、右四个方向（但不限于这四个方向）。对于具有阵列导航需求方向的微型雷达阵列，需布置多行微型雷达阵列。其中下方微型雷达阵列有导航需求，布置两行（但不限于两行），每行安装三个微型雷达（但不限于三个），左、上、右三个方向微型雷达阵列各有一行（但不限于一行），每行有两个（但不限于两个），所有方向的微型雷达阵列定位于机器人***的机体坐标系，具有导航需求的微型雷达阵列前后排微型雷达一一对应；微型雷达的定位角度包括在机体坐标下微型雷达坐标的仰角和方位角/>，其中仰角/>为机体坐标系下微型雷达朝向与/>平面的夹角，方位角/>为机体坐标系下微型雷达朝向与/>平面的夹角。整个微型雷达建图阵列共有12个微型雷达（但不限于12个）。

（2）上位机的建图软件建立360°3D建图模型，该360°3D建图模型基于微型雷达探测模型与微型雷达阵列模型生成。将采样信息转化为图像矩阵。

微型雷达探测模型基于微型雷达的两个参数：视场角与测量距离d。微型雷达的测量区域是一个半径为/>的圆。其中测量距离/>代表覆盖区域内物体到微型雷达天线的距离。

在微型雷达阵列模型中，机体坐标系上任意第i个微型雷达的坐标为，安装角为/>，其中下标b表示在机体坐标系下，上标/>表坐标值为微型雷达坐标。则该微型雷达所测量区域中心点的坐标为：/>

所有微型雷达在机体坐标系下的坐标为：/>同一个采样周期微型雷达建图阵列采集环境所得到的样本信息表示为：微型雷达建图阵列对环境采样的量测值/>在机器人机体坐标系下为/>其中/>为采集的样本信息变换到机体坐标系下的变换矩阵：。

（3）建立场景的360°地图。

根据导航软件中机器人的位置和速度/>，如果采用微型雷达阵列地形特征匹配导航，则可得到机器人平台的前向运动速度/>。微型雷达建图阵列探测周期为T，k时刻样本为：/>，

微型雷达探测样本服从正态分布，则前后对应的微型雷达建图阵列采样数据的均方误差服从卡方分布：

对于/>，/>使得：

其中/>为置信参数，当置信参数/>为足够小量时可以保证/>和/>相似，由此可以计算机器人平台的前向运动速度/>：

其中L为微型雷达阵列之间的距离。对前向速度积分即可得到前向位置。

将机器人平台的位置和速度/>发送给导航软件进行组合导航，由导航软件计算得到机器人质心在地面坐标系下的坐标/>。

将微型雷达建图阵列所获得的环境采样信息转化至初始时刻所确定的地面坐标系，需要根据机器人的姿态对采样信息进行坐标变换，则坐标转换矩阵为：

其中为机器人偏航角，/>为俯仰角，/>为滚转角。将机体坐标系下坐标矩阵旋转至与地面坐标系平行则需将量测值/>左乘坐标转换矩阵C。

基于机器人机体坐标系下微型雷达建图阵列在同一周期的量测值与地面系下机器人质心在地面坐标系下的坐标/>的叠加，得到该时刻微型雷达阵列对环境采样在地面坐标系下的坐标：/> 其中/>，将环境采样的量测值转化至地面坐标系并且将三维空间中所占据的栅格标出以构成三维地形图。

所建立360°三维地形全景图和360°三维地形透视图如附图8、附图9所示。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之流程、原理、算法和微型雷达阵列所作的数量及结构上的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.复杂狭窄空间微型雷达阵列建图***，其特征在于，包括微型雷达建图阵列、微型雷达数据采集模块、上位机和机器人平台，上位机的软件***中含有导航软件和建图软件；

所述机器人平台为空中机器人运动平台、地基移动机器人运动平台、陆空两栖机器人或水下机器人运动平台；

所述微型雷达建图阵列中微型雷达的类型为激光雷达、超声波雷达、毫米波雷达或三种微型雷达混合搭配；此外，对于水下环境，则选择主动式声呐探头构成阵列；所述微型雷达建图阵列进行环境信息采样得到环境样本数据并传递给微型雷达数据采集模块；

所述微型雷达数据采集模块将采集到的环境样本数据传递给上位机的导航软件；

所述上位机的导航软件，得到机器人当前时刻的位置、速度、姿态信息并传递给建图软件；

所述上位机的建图软件构造所在环境的360°3D建图模型，该建图模型基于微型雷达探测模型与微型雷达阵列模型生成，该360°3D建图模型是复杂狭窄空间全景3D地图的组成单元；

所述微型雷达探测模型基于微型雷达的两个参数：视场角α与测量距离d；微型雷达波束在所测量环境、物体上形成投影面，投影面的形状受到环境物体形状的影响，其波束覆盖面等价为半径为d tan(α/2)的圆，其中测量距离d代表覆盖区域内物体到微型雷达天线的距离；

所述微型雷达阵列模型中，机体坐标系上任意第i个微型雷达的坐标为其安装角为(β_i,γ_i)，i∈{1,2…,n}，其中下标b表示在机体坐标系下，上标r表示坐标值为微型雷达坐标，测量距离为d_i；则该微型雷达测量区域中心点的坐标代表所测量环境信息：

微型雷达建图阵列中所有微型雷达在机体坐标系下的坐标为：

同一个采样周期微型雷达建图阵列采集环境所得到的样本信息表示为：

微型雷达建图阵列对环境采样的量测值Z_b在机器人机体坐标系下为:

其中A为采集的样本信息变换到机体坐标系下的变换矩阵：

2.根据权利要求1所述的复杂狭窄空间微型雷达阵列建图***，其特征在于，所述微型雷达建图阵列固定安装于机器人平台上，各微型雷达朝远离机体的方向探测环境信息；在每个朝向上设置由多个微型雷达所构成的阵列，微型雷达建图阵列的形式有矩形阵列、H形阵列、多边形阵列、圆形阵列；或者建立在上述阵列形式下的变形，即将阵列中微型雷达位置向前、向后、向上、向下的平行移动；以及上述阵列形式的组合，即椭圆形阵列、矩形的一部分与圆形一部分或者弧形一部分所构成的组合阵列、圆形或者弧形的一部分所构成的圆弧形阵列或弧段形阵列；整个微型雷达建图阵列由n个微型雷达组成；所有微型雷达定位于机器人的机体坐标系，微型雷达建图阵列中微型雷达的安装角度包括在机体坐标系OXYZ下微型雷达的仰角β和方位角γ，其中仰角β为机体坐标系下微型雷达朝向与XOY平面的夹角，方位角γ为机体坐标系下微型雷达朝向与YOZ平面的夹角。

3.根据权利要求1所述的复杂狭窄空间微型雷达阵列建图***，其特征在于，微型雷达建图阵列中的微型雷达以测量周围环境信息，按照预设频率同步或序贯采样测量机器人与周围环境中建筑、壁面、物体之间的相对距离信息，上位机获得微型雷达的采样数据。

4.权利要求1至3任一项所述的复杂狭窄空间微型雷达阵列建图***的建图方法，其特征在于：

将微型雷达建图阵列所获得的环境采样信息转化至初始时刻所确定的地面坐标系，需要根据机器人的姿态对环境采样信息进行坐标变换，坐标转换矩阵C为：

其中ψ为机器人偏航角，θ为俯仰角，φ为滚转角，将机体坐标系下量测值Z_b旋转为与地面坐标系平行则需将量测值Z_b左乘坐标转换矩阵C；

基于导航软件得到机器人质心在地面坐标系下的坐标S，机器人质心在地面坐标系下的坐标

基于机器人机体坐标系下微型雷达建图阵列在同一周期的量测值Z_b与地面系下机器人质心在地面坐标系下的坐标的叠加，得到该时刻微型雷达阵列对环境采样的量测值在地面坐标系下的坐标：

其中I＝[1 1 … 1]；

将环境采样的量测值转化至地面坐标系并且将三维空间中所占据的栅格标出以构成三维地形图。