探测机器人煤矿井下地图创建
来源： 作者： 发布时间：2016-09-07 06:43:22 浏览量：井下环境是一个大尺度的空间环境，并且具有一定的先验知识，这些先验知识可以较为容易的转换为以巷道口、巷道交叉点、井下重要设备或场所为节点的拓扑地图。以这个地图作为全局路径规划的拓扑地图，可以初步规划出机器人在井下当前位置通往目的点进行探测的全局路径信息。但由于这些地图仅仅提供了井下理想情况下的连通性信息，而实际的井下环境复杂多变，即使是很短的一段巷道的通行都需要一个包含有更加详细信息的局部地图进行路径规划。对这样复杂的地形环境，本文提出一种能够存储和表达更加详细信息的2.5D栅格地图，用于表示地形及附着在地形以上的各种物体，从而为移动机器人路径规划提供更加充分的地图信息。
3基于双目视觉的井下2.5维栅格地图创建
3.1一种2.5D栅格地图
面对复杂的井下环境，探测机器人要想成功的实现井下探测中的路径规划与导航，不仅需要对地形环境的可靠感知，更需要对各种地形环境的准确而全面的表达。在井下探测过程中，一个可靠的地形表达形式对于探测机器人能够规划出一条安全的路径，并最终顺利到达预设的目标点起着至关重要的作用。一般来说，地形环境的表达主要依靠安装于移动机器人本体上的具有测距功能的传感器来实现，如激光扫描仪、毫米波雷达等设备，但这些设备或者体积较大或者价格昂贵；影像传感器也是一种重要的感知器件，如可见光摄像机、多光谱摄像机、热成像仪、偏振光相机等等，这些传感器本身或它们的组合也可以较为方便的实现地形信息的获取。
经历了近20年的发展，各种各样的直角坐标系栅格地图被应用在移动机器人导航的研究当中，到底采用2D,2.5D还是3D栅格地图，取决于地形环境的复杂情况以及移动机器人所需的运算和动作速度。如前所述，2D栅格地图是一种典型的占有格形式，它主要存储每个栅格区域的不可通过、可通过以及未知这几种状态，即当一个障碍物被探测到位于其中一个占有格当中的时候，该占有格则被设置为不可通过状态。2D栅格地图主要应用于障碍物相对简单而分散，且地形环境不太复杂的情况下，因而多用于室内或其他平坦地面环境下。对于更加复杂的环境，则需要更高维的栅格地图来表达。2.5D栅格地图的基本形式是一种数字高程地图形式，它将相应栅格的高程信息存储在所表达的栅格数据当中。对于工作在野外等非平整路面的移动机器人来说，更加常用的2.5D栅格地图是一种存储有高程信息以及地形特征等信息的地形地图。当然，3D栅格地图也是一种可选择的方式，3D栅格地图可以用来描述立体的空间信息，其主要应用于空间、水下等机器人的三维路径规划的实现。但相比较而言，对于地面移动机器人来说2.5D地图在存储效率和计算复杂度方面的优势都是比较明显的。
本文提出一种方便井下机器人导航的2.5D栅格地图结构，该地图是由一系列局部地图与含有井下地形环境先验信息的全局地图融合后形成，其中每一个局部地图是立体视觉相机的一次采集的信息处理后形成的数据，有些研究人员把它称作单帧地图(SingleFrameMap)，这些地图根据其位置和姿态被匹配到全局地图当中。每个地图栅格由高度、地形分类、起伏度、可通过性代价以及可信度等元素组成。考虑到机器人的外形尺寸、越障能力等因素，该地图的水平栅格尺寸定为10cm，而高度分辨率根据立体视觉精度的平均值，定位2cm。由于机器人跨越陡直障碍物的能力为30cm，因此2cm的分辨率足以满足障碍物翻越算法的要求。根据前述机器人基于视觉的定位于姿态估算算法，机器人的姿态在每次立体视觉采集后都需要重新计算一次，因此每个单帧地图都需要根据机器人本身位姿的数据计算出地图与全局地图之间的位置和方向关系，从而保证其在全局地图中位姿的正确性，这也是保证实现地图融合的前提条件。
该结构的每个地图单元由4个字节组成，第1位到第9位用于栅格高度的存储，其中第1位是符号位，后8位表示与机器人观测点平面的绝对高度差；第9-11位用于表达该单元格的起伏度信息，用于描述该单元格内部及其与相邻单元格之间高度变化的平均幅度；第12-14位表达地形分类，表征该单元格属于哪种特定的地形特征，如可通过地形、阶梯、铁轨、泥泞、积水、未知等等；15-16位表示可通过性代价，是通过起伏度、地形特征等数据计算出来的可直接应用于井下机器人路径规划及远程操作参考的数据，如图1所示。
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