[发明专利]改进的栅格拓扑语义环境地图的构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及服务机器人领域，尤其是一种机器人的环境地图的构建方法。

背景技术

服务机器人与工业机器人的一个重要差别在于工业机器人的工作环境都是己知的。工业机器人只需要无思维的完成重复简单的行为即可，而服务机器人所面临的工作环境绝大多数都是未知的，要想自主完成复杂的任务必须构建对于环境的认识即地图。有了环境地图，机器人就能够实现路径规划，避障，目标识别等任务。因此建立环境地图是机器人在未知环境中长时间稳定工作的前提和保证。然而服务机器人是服务于人，所以只有建立和人类认知方式相似的语义地图才能使机器人友善的与用户交互，高效的完成各种服务用户的任务。人机交互应用在机器人制图和导航领域现今是一个研究热点，自然，简洁，友善的人机接口是服务机器人能否被大众所广泛接受的关键性因素。在安全检查，老人看护，展览馆导航，房屋清洁，搜寻救援等方面，构建含有语义的环境地图以及和用户自然的交流能够有效改善机器人的服务质量。

目前大多数服务机器人室内地图构建主要是通过漫游的方式，提取环境二维几何特征，三维点云特征等信息来构建栅格地图，拓扑地图，混合地图等。在整个过程中，有两个方面需要改进和探索：

1、漫游式自主构图在大范围环境构建地图时效率较低，并且仅仅依靠机器人本身很难以人类的认知方式构建出地图。所以使用交互手段，通过人类引导并添加语义来帮助机器人构建地图是一个十分有效的制图方式。毕竟人类的智力远远高于机器人，在人类的帮助下，机器人构建地图的效率更高，并且在友善的交互手段下，可以在地图中加入人类的理解。同时，自然简单的交互界面也大大的提高了机器人的实用性和易接受性。

2、在人类和机器人认知环境方式之间存在巨大的鸿沟。机器人是通过各种各样的传感器数据来认知和描述环境的，而人类是通过抽象的语义概念来认知和描述环境的。传统方法构建的地图并没有包含充足的人类语义信息，只是将环境信息转化成了大量的数值。所以，服务机器人必然很难以人类的方式理解环境，实现人类指定的服务任务。所以需要在机器人认知环境的方式传感器数据和人类认知环境的方式语义概念之间建立一种映射关系，来减小人机之间的认知鸿沟。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种改进的栅格拓扑语义环境地图的构建方法，能够建立一种栅格拓扑语义层次地图；底层栅格地图用于机器人认知理解环境，上层语义地图用于人类认知理解环境，中间拓扑地图通过在语义名称和位置坐标之间建立对应关系，成为上层语义地图和底层栅格地图之间联系的桥梁；构图构建时的顺序是栅格层，拓扑层，语义层，而导航时的地图搜索顺序是语义层，拓扑层，栅格层；能够减小机器人认知环境方式栅格数据和人类认知环境方式语义概念之间的认知鸿沟。本发明采用的技术方案是：

一种改进的栅格拓扑语义环境地图的构建方法，包括：

建立一种栅格拓扑语义层次地图：层次自下而上包括栅格层、拓扑层、语义层；

底层的栅格地图使用机器人里程计和激光传感器数据通过Gmapping算法构建；

最上面一层是语义层，用于用户理解环境记录地点名称；上层的语义地图是通过抽取拓扑节点包含的语义名称构建；

中间的拓扑层将语义层的语义名称和栅格层的位置坐标联系在一起，成为上下层地图之间联系的桥梁；中间的拓扑地图是在语音标注出拓扑节点的基础上通过增量式算法构建的；拓扑路径描述了拓扑节点之间的位置关系。

本发明的优点在于：

1、漫游式自主构图在大范围环境构建地图时效率较低，并且仅仅依靠机器人本身很难以人类的认知方式构建出地图。所以使用交互手段，通过人类引导并添加语义来帮助机器人构建地图是一个十分有效的制图方式。毕竟人类的智力远远高于机器人，在人类的帮助下，机器人构建地图的效率更高，并且在友善的交互手段下，可以在地图中加入人类的理解。同时，自然简单的交互界面也大大的提高了机器人的实用性和易接受性。

2、在人类和机器人认知环境方式之间存在巨大的鸿沟。机器人是通过各种各样的传感器数据来认知和描述环境的，而人类是通过抽象的语义概念来认知和描述环境的。传统方法构建的地图并没有包含充足的人类语义信息，只是将环境信息转化成了大量的数值。所以，服务机器人必然很难以人类的方式理解环境，实现人类指定的服务任务。所以需要在机器人认知环境的方式传感器数据和人类认知环境的方式语义概念之间建立一种映射关系，来减小人机之间的认知鸿沟。

附图说明

图1为现有的环境地图示意图。

图2为本发明的栅格地图构建流程图。