[发明专利]应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统及方法

权利要求书

1.应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统，其特征在于，它包括3D激光雷达(1)、2D激光雷达(2)、传动轴承(3)、板卡(4)、旋转主轴(5)、角度检测编码器(6)、齿轮传动组(7)、驱动电机(8)和基座(9)；

基座(9)下部为中空结构的柱体，上部为中空结构的圆台形，所述圆台形为上下均开口结构；

齿轮传动组(7)包括三个齿轮，所述三个齿轮均设置在基座(9)的底部，且三个齿轮依次咬合，三个齿轮分别套设在驱动电机(8)的转动轴的外侧、旋转主轴(5)的外侧和角度检测编码器(6)下侧所固定的传动轴的外侧；旋转主轴(5)位于基座(9)的中心，角度检测编码器(6)用于采集旋转主轴(5)的转速；

驱动电机(8)通过齿轮传动组(7)带动旋转主轴(5)和角度检测编码器(6)旋转；旋转主轴(5)的顶端套接在传动轴承(3)的轴套内，所述传动轴承(3)位于基座(9)的顶端，传动轴承(3)带动3D激光雷达(1)和2D激光雷达(2)同时旋转，所述2D激光雷达(2)位于3D激光雷达(1)的下侧；2D激光雷达(2)用于扫描自身安装平面内的环境信息，3D激光雷达(1)扫描自身安装平面向上夹角为0°～45°范围内的环境信息；

板卡(4)设置在基座(9)内，所述板卡(4)用于安装板卡电源电路(41)、2D激光雷达数据处理器(42)、电机驱动控制器(43)、编码器数据处理器(44)和3D激光雷达数据处理器(45)；

板卡电源电路(41)用于为2D激光雷达数据处理器(42)、电机驱动控制器(43)、编码器数据处理器(44)和3D激光雷达数据处理器(45)供电；

2D激光雷达数据处理器(42)的环境信号输入端连接2D激光雷达(2)的扫描信号输出端，

电机驱动控制器(43)的控制信号输出端驱动电机(8)的控制信号输入端，

编码器数据处理器(44)的角度信号输入端连接角度检测编码器(6)角度信号输出端；

3D激光雷达(1)的扫描信号输出端连接3D激光雷达数据处理器(45)的环境数据信号输入端。

2.根据权利要求1所述的应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统，其特征在于，套设在驱动电机(8)的转动轴的外侧的齿轮与角度检测编码器(6)下侧所固定的传动轴的外侧的齿轮比例为1：1。

3.根据权利要求1或2所述的应用于服务机器人的同步式地图构建与定位系统，其特征在于，3D激光雷达(1)包括表面透镜、线性激光发射器、CMOS感光元件和偏光镜；

表面透镜嵌固在基座(9)顶端的圆台形结构上，线性激光发射器、CMOS感光元件和偏光镜均设置在基座(9)的圆台形结构内；

线性激光发射器的激光信号经表面透镜发射至3D激光雷达(1)所旋转的环境中，线性激光发射器的激光信号遇到障碍物后的反射光再次经表面透镜入射至偏光镜，所述反射光经偏光镜后入射至CMOS感光元件的感光面上，所述CMOS感光元件的信号输出端连接3D激光雷达数据处理器(45)的环境数据信号输入端。

4.应用于服务机器人的异步式地图构建与定位方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

步骤一、采用驱动电机(8)通过齿轮传动组(7)带动旋转主轴(5)和角度检测编码器(6)旋转；将2D激光雷达(2)和3D激光雷达(1)通过传动轴承(3)安装在旋转主轴(5)的顶端；

步骤二、角度检测编码器(6)对2D激光雷达(2)和3D激光雷达(1)的所连接的旋转主轴(5)的转速进行检测；并将检测信息发送至编码器数据处理器(44)；

步骤三、采用2D激光雷达(2)扫描自身所在平面环境信息，采用3D激光雷达(1)扫描自身安装平面向上夹角为0°～45°范围内的环境信息；2D激光雷达(2)扫描自身安装平面内的环境信息，且2D激光雷达(2)的扫描区域与3D激光雷达(1)的扫描区域互不重叠；

步骤四、对编码器数据处理器(44)接收到的2D激光雷达(2)和3D激光雷达(1)的转速信息与2D激光雷达(2)扫描机器人周围环境的障碍物信息和3D激光雷达(1)扫描自身安装平面向上夹角为0°～45°范围内的环境信息进行数据组合；

步骤五、采用基于特征提取的SLAM算法实现对3D激光雷达(1)扫描的环境信息与2D激光雷达(2)扫描的环境信息进行对应处理，实现对服务机器人周围环境地图的构建与定位。