面向应急机器人的通信感知地图构建方法

1.本发明涉及一种应急地图构建领域。更具体地说，本发明涉及一种用在应急处理过程中，用于保证应急机器人在现场正常、可靠作业情况下使用的面向应急机器人的通信感知地图构建方法。


背景技术：

2.应急机器人是处置突发事件/事故的重要手段，尤其在自然灾害、紧急事故现场，常规的通信设施被破坏后，为保证应急机器人在现场正常、可靠作业，有必要构建一个描述通信质量的环境地图，为应急作业规划提供科学、合理的依据。
3.而目前常见的机器人地图构建方法只能生成描述周围环境物体的地图，缺少描述通信质量的信息，导致应急机器人在作业区域内如果移动到通信质量较差的位置，将无法实现与主控台的数据通信，也不能及时回传相应的操作信息。具体来说，应急场景下，采用现有的机器人建图方式，操作人员对环境通信质量没有预判，建图的机器人因为无法感知环境的通信质量，可能直接进入控制台无线信号无法覆盖的区域，导致机器人失联；也可能因为某些区域无线信号无法覆盖，无法构建完整的作业地图；另外，机器人地图描述的区域不一定是通信可靠区域，因为缺乏通信质量描述，作业机器人也可能在作业区域陷入通信失效。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，提供了一种面向应急机器人的通信感知地图构建方法，包括：步骤一，在第一机器人对作业区域构建应急地图的过程中，对于通信质量受限区域，控制台通过控制搭载有无线中继主机的第二机器人，对第一机器人与控制台的通信进行恢复，完成地图构建操作；步骤二，在控制台、第一机器人与第二机器人组成的无线网络中，控制台控制第一机器人对作业区域的通信质量进行检测，以得到带有通信有效区域和通信失效区域分界线的二维地图t
*
。
5.优选的是，在步骤二中，在通信质量进行检测期间，第一机器人对通信失效区域的点位进行记录，以得到与作业区域对应的失效集合s，控制台基于失效集合s构建带有通信有效区域和通信失效区域分界线的二维地图t
*
。
6.优选的是，所述失效集合s的获取流程被配置为包括：s10，在第一机器人生成地图的过程中，通过第一机器人上的第一时延测量模块与控制台上的第二时延测量模块进行配合测量，得到第一机器人到控制台的时延值，以在时延超过阈值d时，控制台通过遥控第一机器人避开当前位置；s11，控制台在地图收敛的情况下，判断生成的地图t是否全部覆盖了作业区域，如果判断结果为全覆盖，则进入s12，否则，遥控第一机器人前往未覆盖区域；
当第一机器人进入未覆盖区域时发现时延未超过阈值d，则直接返回到s10中继续生成地图，否则，控制台控制第二机器人前往作业区域以恢复通信质量，并在恢复后返回到s10中继续生成地图；s12，控制台控制第一机器人从控制台出发,沿地图边界记录环境通信质量；s13，第一机器人移动过程中测量机器人当前位置点到控制台的时延值ti，并记录第一机器人当前位置点在xoy坐标系中的坐标(xi,yi)，通过第一机器人的通信管理模块把该点的时延记录到集合r(xi,yi,ti)中，其中，i表示测量序号；s14，如果当前测量点a的时延超过阈值d，则把在前测量信息(xi,yi,ti)加入失效集合s={(xi,yi,ti)|ti》d}中，第一机器人切换到自主导航模式，并自主返回到上一个时延未超过阈值d的测量点b,到达b后，第一机器人切换回控制台遥控模式，并返回s13，否则，进入下一步；s15，判断第一机器人当前是否重回到控制台所在位置，如判断结果为未重回到控制台则返回s13，否则，完成对环境通信质量的记录。
7.优选的是，在s14中，自主返回到b点的具体方式包括：s141，提取第一机器人最近n个测量点信息（x
i-n,yi-n,
t
i-n
）、（x
i-n-1
,y
i-n-1
,t
i-n-1
）
…
（x
i-1
,y
i-1
,t
i-1
）；s142，根据s141中测量点信息所包含的坐标信息，计算每个测量点到当前点的距离值，得到由距离组成的集合{l
i-n
,l
i-n-1
,
…
,l
i-1
}；s143，从s141中测量点信息中提取由时延组成的集合{t
i-n
,t
i-n-1
,
…
,t
i-1
}；s144，对于第j个测量点，根据距离和时延对代价函数f进行计算f=α*tj (1-α)*lj，选出f值最小的测量点b，α为恢复比例因子；s145，规划从a到b的最短路径，并沿路径移动到b。
8.优选的是，在步骤二中，所述二维地图t
*
的生成过程被配置为包括：s20，控制台上的第一软件系统从第一机器人上的第二软件系统中读取失效集合s；s21，第一软件系统上的地图管理单元在地图t上标记出s中的所有位置点；s22，通过地图管理单元将坐标靠近的坐标点拟合成连续线段，并标记在地图中，作为通信有效区域和通信失效区域分界线；s23，将标记线段保存在二维地图文件中，得到对应的二维地图t
*
。
9.优选的是，在s10中，所述时延值的获取方式被配置为包括:s101，第一机器人构建m个测量请求包，机器人与控制台之间通信数据包有m种不同尺寸，最长的测量请求包p
m-1
，最短的测量请求包p1，按照尺寸从短到长依次构建m个测量请求包p0，p1…
p
m-1
；s102，在第一时延测量模块和第二时延测量模块启动后，第一时延测量模块按周期τ向第二时延测量模块依次发出上述测量请求包；s103，对于每个请求包，第一时延测量模块分别记录发送时刻ts，控制台收到请求包向第一时延测量模块发送对应的响应包；s104，第一时延测量模块收到每个请求包对应的响应包后记录接收时刻tr；并根据t
r-ts的差值计算出当前测量请求报对应的时延采样值，对于第k个包，有采样值t
ik
；
s105，第一时延测量模块在连续测量m次后，根据下述公式计算时延采样值的均值作为机器人当前位置(xi,yi)处到控制台的时延值ti：，其中βk是时延比例因子，。
10.优选的是，在s11中，控制台控制第二机器人前往作业区域以恢复通信质量的流程被配置为包括：s110，当第一机器人在任一位置发现时延超过阈值d时，通知控制台启动一台搭载有无线中继主机的第二机器人，配置无线中继主机加入到控制台与第一机器人组建的无线网络中，以建立控制台与第二机器人之间的通信连接；s111，终止控制台与第一机器人的通信连接，建立第二机器人与第一机器人的通信连接；s113，通过第二机器人建立控制台与第一机器人的通信连接；s114，控制台控制第二机器人前往第一机器人所处位置，当第二机器人到达距离第一机器人r米的位置处，通过不断调整第二机器人相对于第一机器人的位置，得到一个时延低于阈值d的位置点q，使得控制台与第一机器人之间的通信质量得以恢复。
11.优选的是，在s114中，位置点q的获取方式被配置为包括：s1141，以第一机器人为中心，r米为半径，为第二机器人规划一条圆形移动路线l；s1142，从当前位置点开始，第二机器人沿路线l移动，第一机器人同时测量时延值，并把时延值发给第二机器人；s1143，第二机器人沿l移动一周后，计算出时延低于阈值d所有位置点，并找出时延最小值的位置点q，发送给控制台；s1144，控制台遥控第二机器人移动到q点处，使得控制台与第一机器人之间的通信质量得以恢复。
12.优选的是，还包括，与所述方法相配合的硬件系统，其被配置为包括：在作业区域行驶以构建相应地图的第一机器人；第二机器人；控制台；其中，所述第一机器人、控制台上分别设置有相配合的无线中继主机，以构建第一机器人与控制台之间的数据通信链路，并在数据通信链路中的通信质量不满足要求时，通过第二机器人上的无线中继主机恢复第一机器人与控制台之间的数据通信；所述第一机器人与第二机器人上分别搭载有定位用激光雷达。
13.优选的是，所述控制台设置有与第一机器人和/或第二机器人相配合的遥控手柄。
14.本发明至少包括以下有益效果：本发明通过控制台、移动建图机器人和移动中继机器人协作构建大场景下的完整作业地图，并在地图中增加可描述通信质量的标记，以得到具有描述通信质量的环境地图，为应急作业规划提供科学、合理的依据，使得应急作业时的通信质量能够得到有效保证。
15.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本
发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
16.图1为本发明的一个实施例中的硬件系统布局后进行地图生成的示意图；图2为本发明的一个实施例中的硬件系统布局后进行通信质量测量的示意图；图3为本发明控制台上软件系统的组成模块图；图4为本发明第一机器人上软件系统的组成模块图；图5为本发明一个实施例中生成的二维地图t
*
示意图；其中，1为控制台，2为第一机器人，3为第二机器人。
具体实施方式
17.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
18.1、建图系统的硬件及结构布局如图1-图2所示，包括控制台、第一机器人、第二机器人（当控制台和第一机器人之间的通信质量下降时，第二机器人作为中继通信结点恢复二者之间的通信质量）（1）控制台1包括：高性能工作站、显示器、激光雷达、无线中继（mesh）主机10（支持多结点无线组网）和遥控手柄。
19.（2）第一机器人2包括：移动底盘、主控计算机、激光雷达、惯性传感器、卫星定位器、网络相机、无线中继（mesh）主机。
20.（3）第二机器人3包括：可遥控移动底盘、网络相机、无线中继（mesh）主机，在这种结构中，激光雷达的作用在于建图和定位，而无线中继主机在应用时可以选择mesh主机，实现多结点之间的无线组网，在本方案中，因为各硬件结构均采用的是现有的技术，故不对其结构以及连接关系、工作方式进行补充说明。
21.2、软件结构（1）如图3所示，控制台上的软件系统，运行在控制台的高性能工作站上，包括：人机交互模块、远程监控、第一机器人遥控模块、第二机器人遥控模块、地图管理模块、时延测量模块c模块（配合第一机器人测量时延）、网络通信模块。
22.（2）如图4所示，第一机器人上的软件系统，运行在第一机器人的主控计算机上，包括：激光扫描模块、视频采集、无线通信模块、自主导航模块（可自定位和自主规划路径）、远程控制、地图生成模块、时延测量模块m模块（测量到控制台的时延）、通信管理模块（把移动路径上各点的时延记录到序列r中。每个r元素的格式为(xi,yi,ti)，i是测量序号，(xi,yi)是测量点在xoy坐标系中的坐标，ti是第一机器人到控制台的时延值）。
23.本发明提供了一种面向应急机器人的通信感知地图构建方法，包括：步骤一，在第一机器人对作业区域构建应急地图的过程中，对于通信质量受限区域，控制台通过控制搭载有无线中继主机的第二机器人，对第一机器人与控制台的通信进行恢复，完成地图构建操作；步骤二，在控制台、第一机器人与第二机器人组成的无线网络中，控制台控制第一机器人对作业区域的通信质量进行检测，以得到带有通信有效区域和通信失效区域分界线
的二维地图t
*
；在步骤二中，在通信质量进行检测期间，第一机器人对通信失效区域的点位进行记录，以得到与作业区域对应的失效集合s，控制台基于失效集合s构建带有通信有效区域和通信失效区域分界线的二维地图t*，在测量通信质量时，第一机器人根据在mesh网络中的位置决定直接与控制台连接（执行路由策略，选择最短路径），还是通过第二机器人与控制台连接：具体来说，应用本发明装置系统进行地图构建的工作流程包括：第1步，配置控制台上的无线mesh主机和第一机器人上的无线中继主机，构成两结点之间的无线中继网络，建立控制台与第一机器人通信连接。设置好第一机器人运动速度、地图原点o及地图坐标系xoy，控制台遥控第一机器人开始创建环境地图。
24.第2步，第一机器人通过激光扫描模块采集当前位置周围物体的点云，地图生成模块根据点云和自定位信息拼接二维地图。同时，时延测量模块m与控制台软件系统的时延测量模块c配合测量得到第一机器人到控制台的时延值。如发现时延超过阈值d时（时延值大于d表示通信质量不满足机器人信息传输要求），遥控第一机器人避开当前位置，调整移动方向继续前进。
25.第3步，判断地图是否收敛，如果收敛转至下一步；否则，转至第2步。
26.第4步，操作人员判断生成的地图t是否全部覆盖了作业区域，如果是则转至第7步；否则，进入下一步。
27.第5步，操作人员遥控第一机器人靠近未覆盖区域。第一机器人在该区域某处发现时延超过阈值d时，控制台再遥控一台带有移动通信中继的第二机器人前往该处，其原因在于，建图过程可能会因为第一机器人与控制台距离太远，或者障碍物遮挡，导致通信质量下降，需要第二机器人通过中继实现连接，恢复通信质量以保证继续建图。
28.第6步，带有移动通信中继的第二机器人到达上述位置附近并恢复控制台与第一机器人之间的通信质量（时延低于上述d值）后，转至第2步继续建图。
29.第7步，控制台第一机器人从控制台出发，沿地图边界测量并记录机器人当前位置点到控制台的时延值。
30.第8步，移动到某位置点，第一机器人通信管理模块把该点的时延记录到集合r={(xi,yi,ti)}中，i是测量序号，(xi,yi)是测量点在xoy坐标系中的坐标（自主导航模块计算得到该坐标），ti是第一机器人到控制台的时延值（第一机器人的时延测量模块m与控制台软件系统的时延测量模块c配合测量得到该时延值）。
31.第9步，如果第一机器人未返回到控制台，继续下一步，否则转至第12步。
32.第10步，如果当前测量点a的时延未超过阈值d，则转至第8步；否则（包括通信中断的情况），第一机器人自主导航返回到上一个时延未超过阈值d的测量点b，并把当前测量点a的信息(xi,yi,ti)加入失效集合s={(xi,yi,ti)|ti》d}，进入下一步，在这个过程中，根据距离、时延两个参数找到一个最佳位置点b，然后自主返回到b点的具体方式是：提取第一机器人最近n个测量点信息（x
i-n,yi-n,
t
i-n
）、（x
i-n-1
,y
i-n-1
,t
i-n-1
）
…
（x
i-1
,y
i-1
,t
i-1
），其中n表示最近测量点的个数，其个数可以根据实际应用的需要进行定义。
33.根据上述测量点坐标信息计算每个测量点到当前点的距离值，得到由距离组成的集合{l
i-n
,l
i-n-1
,
…
,l
i-1
}。
34.提取由时延组成的集合{t
i-n
,t
i-n-1
,
…
,t
i-1
}。
35.对于第j个测量点，根据距离和时延对代价函数f进行计算f=α*tj (1-α)*lj，选出f值最小的测量点b，α为恢复比例因子，在实际的应用时，如果希望时延影响大，就让α取值大一些，如果希望距离影响大，就让α取值小一些，以适应不同的使用场景，具有更好的适应性。
36.规划从a到b的最短路径，并沿路径移动到b。
37.第11步，当第一机器人返回到b后，控制台遥控第一机器人调整路线向a点附近区域移动，转至第8步。
38.第12步，第一机器人返回控制台后，控制台软件系统的地图管理模块从第一机器人软件系统读取失效集合s。最后，生成有通信有效区域和失效区域分界线标记的二维地图t*，如图5所示。
39.4、时延测量时延测量，时延测量模块m与控制台软件系统的时延测量模块c配合测量得到第一机器人到控制台的时延值。
40.第一机器人软件系统中的时延测量模块m和控制台软件系统的时延测量模块c之间采用udp（用户数据报协议）方式通信。时延测量模块c是服务器模式工作，等待第一机器人软件系统的时延测量模块m发出请求包；时延测量模块m是客户端模式工作，主动向控制台软件系统的时延测量模块c发出时延测量请求包，在这种过程中，第一机器人构建m个测量请求包，机器人与控制台之间通信数据包有m种不同尺寸，最长的测量请求包p
m-1
，最短的测量请求包p1，按照尺寸从短到长依次构建m个测量请求包p0，p1…
p
m-1
；控制台软件系统启动后，时延测量模块c自动启动并进入到服务器模式，等待第一机器人的时延测量模块m发起时延测量请求包；如果收到来该请求包，则向时延测量模块m发送一个响应包。
41.第一机器人软件系统启动时延测量模块m后，以周期τ向控制台软件系统的时延测量模块c依次发出上述的时延测量请求包。对于每个请求包，时延测量单元m记录发送时刻ts；收到控制台返回的响应包后，时延测量单元m记录接收时刻tr；时间测量单元m根据t
r-ts的差值计算出时延采样值，对于第k个包，有采样值t
ik
；连续测量m次后，时间测量单元m计算时延采样值的均值作为机器人当前位置(xi,yi)处的时延值ti，ti根据下述公式计算得到：，其中βk是时延比例因子，。
42.5、第二机器人上述建图过程中，第一机器人在某处发现时延超过阈值d时，通知控制台启动一台第二机器人，配置第二机器人的无线mesh主机加入控制台与第一机器人组建的无线mesh网络，建立控制台与第二机器人之间的通信连接；另外，终止控制台与第一机器人的通信连接，建立第二机器人与第一机器人的通信连接；最后，通过第二机器人建立控制台与第一机器人的通信连接。
43.上述通信连接建立后，控制台遥控该第二机器人前往第一机器人所处位置。当第
二机器人到达第一机器人附近后，如果时延继续超过阈值d，通过不断调整第二机器人相对于第一机器人的位置，直到时延低于阈值d，得到一个时延低于阈值d的理想位置点q，使得控制台与第一机器人之间的通信质量得以恢复，具体来说，这个调整过程的工作流程为：以第一机器人为中心，r米为半径，为第二机器人规划一条圆形移动路线l；从当前位置点开始，第二机器人沿路线l移动，第一机器人同时测量时延值，并把时延值发给第二机器人；第二机器人沿l移动一周后，计算出时延低于阈值d所有位置点，并找出时延最小值的位置点q，即理想位置点，发送给控制台；控制台遥控第二机器人移动到q点处，使得控制台与第一机器人之间的通信质量得以恢复。
44.6、第一机器人恢复通信第一机器人发现自己与控制台之间通信中断后，开始如下步骤。
45.第一步，第一机器人软件系统的通信管理单元查询r各元素，找出最近的时延值未超过阈值d的记录，即得到b点记录(xb,yb,tb)。
46.第二步，第一机器人软件系统的自主导航单元计算当前位置点a坐标(xa,ya)。
47.第三步，执行最优路径算法，计算(xa,ya)前往(xb,yb)的路径。
48.第四步，第一机器人按上述路径行驶，b点。
49.7、生成二维地图t*第一步，控制台软件系统从第一机器人软件系统读取失效集合s；第二步，控制台软件系统的地图管理单元在地图t上标记出s中的所有位置点；第三步，把坐标靠近的坐标点拟合成连续线段，并标记在地图中，作为通信有效区域和通信失效区域分界线；第四步，将上述标记线段保存在二维地图文件中，得到描述环境通信质量的二维地图t*。
50.采用本文的建图方法，建图机器人、中继机器人和控制台协作构建了无线mesh网络，保证了构建完整的覆盖作业区域地图。同时，地图中的通信质量描述提醒了操作人员，避免作业机器人在作业时盲目陷入信号盲区，操作的有效性提到显著提升，可有效避免在应急作业区别还需要人为搜索应急机器人的情况产生。
51.以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
52.这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
53.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。