受限空间内机器人的定位方法、设备及介质与流程

本发明涉及机器人定位，具体而言，涉及一种受限空间内机器人的定位方法、设备及介质。

背景技术：

1、在船舶压载舱、石油化工储罐、地下管廊等受限空间内，通常存在空间狭窄、结构复杂、光照不足、金属构件密集以及无线通信条件较差等情况。为减少作业人员进入受限空间所面临的中毒、窒息、爆炸或坠落等风险，可以采用四足机器人进入受限空间执行环境侦察、气体检测、图像采集和空间测绘等任务。机器人在执行上述任务时，需要持续确定机器人在受限空间内的位置和姿态，以将采集到的环境数据与受限空间中的对应位置准确关联。

2、现有机器人定位方法通常利用激光雷达、视觉传感器或惯性测量单元采集定位数据，并根据相邻时刻采集的数据之间的匹配关系，确定机器人的运动量和位姿。在环境中具有较为丰富且分布均匀的几何特征时，激光点云匹配或视觉特征匹配能够为机器人提供较为稳定的位姿约束。对于四足机器人，还可以利用足端与地面接触时产生的受力信息或者运动学信息辅助进行状态估计。

3、但是，在长直、扁平或者由大面积相似金属表面构成的受限空间内，环境感知数据中的几何特征容易在部分空间方向上缺失或者重复，使环境感知数据不能持续提供充分的位姿约束，导致机器人定位结果产生漂移，进而影响受限空间内环境数据的位置准确性。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述问题，本发明提供一种受限空间内机器人的定位方法、设备及介质，可以提高机器人在存在几何特征退化的受限空间内的定位稳定性。

2、第一方面，本发明提供一种受限空间内机器人的定位方法，所述方法包括：根据所述机器人的环境感知数据，确定所述受限空间内的结构平面，并根据所述结构平面的平面参数确定平面先验因子；所述平面先验因子用于限定所述机器人的位姿与所述结构平面之间的空间关系；根据所述机器人的足端受力数据，确定所述机器人的支撑足端，并根据所述支撑足端的位置确定足端接触因子；所述足端接触因子用于限定所述支撑足端的位置与所述支撑足端所接触的支撑平面之间的空间关系；根据所述环境感知数据，确定所述受限空间是否处于几何特征退化状态；根据所述环境感知数据、所述足端接触因子和所述平面先验因子，确定所述机器人的位姿；其中，在所述受限空间处于所述几何特征退化状态时，提高所述平面先验因子在确定所述机器人的位姿时的权重。

3、可选地，所述根据所述机器人的环境感知数据，确定所述受限空间内的结构平面，并根据所述结构平面的平面参数确定平面先验因子，包括：从所述环境感知数据中提取多个平面区域；根据各所述平面区域的法向量和空间位置，确定至少两个与所述受限空间的舱壁或甲板对应的目标平面区域；至少两个所述目标平面区域的法向量不平行；将各所述目标平面区域分别确定为所述结构平面；从各所述结构平面中提取多个平面特征点；根据所述机器人的位姿变量，确定多个所述平面特征点在世界坐标系中的预测位置；根据各所述结构平面的法向量和空间位置，确定多个所述预测位置到对应的所述结构平面的距离；根据所述距离，确定各所述结构平面对应的平面先验因子。

4、在上述实现过程中，通过确定至少两个法向量不平行的结构平面，可以利用不同结构平面对机器人在不同空间方向上的位置变化进行约束；通过根据多个平面特征点在世界坐标系中的预测位置与对应结构平面之间的距离确定平面先验因子，可以将受限空间中的舱壁或甲板转化为能够参与位姿计算的几何约束。因此，可以为后续判断机器人在不同空间方向上的约束强度提供数据基础。

5、可选地，所述根据所述环境感知数据，确定所述受限空间是否处于几何特征退化状态，包括：根据多个所述平面先验因子分别相对于所述机器人的位置变量的变化关系，确定约束矩阵；所述约束矩阵用于表征多个所述平面先验因子对所述机器人的位置在不同空间方向上的约束强度；确定所述约束矩阵的特征值和特征向量，并从多个所述特征值中确定最小特征值；将所述最小特征值对应的特征向量确定为约束不足方向；所述约束不足方向用于表征多个所述平面先验因子对所述机器人的位置约束不足的空间方向；在所述最小特征值小于退化阈值时，确定所述受限空间沿所述约束不足方向处于所述几何特征退化状态。

6、在上述实现过程中，通过将多个平面先验因子对位置变量的约束关系转换为约束矩阵，并根据约束矩阵的最小特征值判断是否发生几何特征退化，可以将几何特征退化转化为可计算的判断结果；通过将最小特征值对应的特征向量确定为约束不足方向，可以进一步定位环境几何约束不足所对应的空间方向，从而为后续选择能够补偿所述约束不足方向的平面先验因子提供依据。

7、可选地，所述在所述受限空间处于所述几何特征退化状态时，提高所述平面先验因子的权重，包括：确定各所述结构平面的法向量与所述约束不足方向之间的锐角夹角，将小于夹角阈值的所述锐角夹角确定为目标夹角；从多个所述平面先验因子中，确定所述目标夹角对应的平面先验因子；提高所述目标夹角对应的平面先验因子的权重。

8、在上述实现过程中，通过比较结构平面的法向量与约束不足方向之间的锐角夹角，可以识别能够沿约束不足方向提供较强位置约束的结构平面；通过提高对应平面先验因子的权重，可以针对环境感知数据约束不足的空间方向增强平面约束作用，而无需对全部平面先验因子进行无差别调整。因此，可以提高几何特征退化补偿的针对性。

9、可选地，所述根据所述机器人的足端受力数据，确定所述机器人的支撑足端，并根据所述支撑足端的位置确定足端接触因子，包括：根据所述足端受力数据，确定各足端的法向接触力和接触力变化率；将所述法向接触力大于接触力阈值、且所述接触力变化率的绝对值小于变化率阈值的足端确定为所述支撑足端；根据所述支撑足端的位置，确定所述支撑足端所接触的支撑平面；根据所述机器人的位姿变量，将所述支撑足端的位置转换至世界坐标系；将转换后的所述支撑足端的位置投影至所述支撑平面；根据转换后的所述支撑足端的位置与投影位置之间的距离，确定所述足端接触因子。

10、在上述实现过程中，通过同时依据法向接触力和接触力变化率的绝对值筛选支撑足端，可以减少处于摆动状态或者接触状态不稳定的足端被用于定位计算的情况；通过根据支撑足端的位置与支撑平面之间的距离形成足端接触因子，可以将真实接触关系转换为机器人位姿计算中的空间约束，提高足端受力数据参与定位计算时的可靠性。

11、可选地，在确定多个所述支撑足端时，所述根据所述环境感知数据、所述足端接触因子和所述平面先验因子，确定所述机器人的位姿，包括：分别根据各所述支撑足端的位置，确定对应的足端接触因子；根据各所述支撑足端对应的法向接触力和接触力变化率的绝对值，确定对应的所述足端接触因子的权重；所述足端接触因子的权重与所述法向接触力正相关，且与所述接触力变化率的绝对值负相关；根据所述环境感知数据、所述平面先验因子和具有对应权重的多个所述足端接触因子，构建目标函数；对所述目标函数进行求解，得到所述机器人的位姿。

12、在上述实现过程中，通过根据各支撑足端的法向接触力和接触力变化率分别确定对应足端接触因子的权重，可以使接触较稳定的支撑足端对位姿计算产生较大的约束作用，使接触可靠性较低的支撑足端对位姿计算产生较小的影响。因此，可以降低多个足端接触状态不一致对定位结果造成的干扰，提高多足支撑期间位姿计算的稳定性。

13、第二方面，本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有程序指令，所述程序指令被所述处理器执行时，实现上述任一种受限空间内机器人的定位方法。

14、第三方面，本发明实施方式提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时，实现上述任一种受限空间内机器人的定位方法。

15、本发明中，环境感知数据可以为机器人位姿确定提供基于环境几何特征的基础约束，结构平面对应受限空间内相对稳定的固定表面，基于结构平面的平面参数形成平面先验因子，可以利用所述固定表面与机器人位姿之间的空间关系补充位姿约束；基于支撑足端的位置形成足端接触因子，可以将机器人与支撑平面之间的实际接触关系引入位姿确定过程。当受限空间内的几何特征缺失、重复或者分布不均而导致环境感知数据在部分空间方向上的约束能力下降时，提高平面先验因子的权重，可以增强稳定结构平面对机器人位姿的限制作用，使位姿确定结果不再主要依赖发生退化的环境感知数据；结合足端接触因子提供的接触约束，可以进一步限制不符合实际支撑状态的位姿变化。因此，可以降低几何特征退化引起的位姿漂移和误差累积，提高机器人在受限空间内定位的稳定性和位置准确性。