基于激光雷达自主定位导航的多功能机器人.pdf

第 17 期2023 年 9 月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.17September,2023基金项目:教育部国家级大学生创新训练项目;项目名称:基于激光雷达自主定位导航的多功能防疫机器人;项目编号:202213644007。广西壮族自治区教育厅高校中青年教师科研基础能力提升项目;项目名称:SLAM 的室内定位算法在自由机器人中的应用研究;项目编号:2020KY57016。作者简介:李少安(2000),男,河北保定人,本科生;研究方向:计算机科学与技术。通信作者:李晓健(1983),男,辽宁朝阳人,高级实验师,硕士;研究方向:创新创业教育。基于激光雷达自主定位导航的多功能机器人李少安,刘 欣,郭长鑫,王 博,丁浩然,李晓健(桂林信息科技学院,广西 桂林 541000)摘要:随着科技的不断进步,机器人技术在各个领域得到广泛应用。传统的人工操作存在着人力成本高、风险大等问题,因此需要一种自主智能的机器人来替代或辅助人工操作。文章介绍了一种基于激光雷达自主定位导航的多功能机器人,旨在实现物资运输和巡逻任务。通过研究运动学、动力学、搬运器械机构的运行原理以及自主导航和避障等关键技术,机器人具备自主性、可编程性和高精度定位导航能力,能够自主移动和执行任务。针对姿态解算,文章研发了一款 IMU 陀螺仪传感器。实验结果验证了机器人的性能和稳定性,并证明其适应不同工作需求。关键词:机器人;激光雷达;自主定位导航;深度学习;体温检测中图分类号:TN912.3 文献标志码:A0 引言 随着工业化的不断发展,人们发现缺少一种可以进行应急搬运的多功能机器人。在实际工作中,消毒、运输和巡逻等工作是不可或缺的,但这些工作往往需要耗费大量的人力、物力和时间1。在此背景下,利用机器人技术来完成搬运工作已成为一种趋势。机器人具有自主性、可编程性、高精度等优点,可以降低工作的成本和风险,提高工作效率。因此,研发一种多功能机器人,对于提高工作效率和质量具有重要意义。本文提出了一种基于激光雷达自主定位导航的多功能机器人,该机器人能够自主完成运送物资、站岗巡逻等工作,具有较高的智能化和自主化水平。在设计和制造这种机器人的过程中,需要研究机器人的运动学和动力学、搬运器械机构的运行原理、自主导航和避障等关键技术。本文通过对这些技术的研究和应用,可以实现机器人的多功能化和自主化,从而提高工作的效率和质量。1 研究内容 本文开发的多功能机器人可以执行 3 项基本任务:物资运输、消毒和巡逻。机器人需要在各种地形中平稳运行并执行补给运输任务,需要研究机器人的运动学和动力学。为了保证机器人的操作和运动,必须研究机器人工作、运动规划、控制和感知的理论和技术。此外,机器人应配备可以抓取、运输和消毒材料的搬运装置。因此,研究承载机构的运行原理对于实现机构与全方位移动平台的平稳协调是必要的。在确保与机器人主体顺利组合的同时实现稳定运行至关重要。机器人必须实时构建地图,执行自动避障、自我巡逻和在检查站站岗。为了实现这些功能,有必要研究激光雷达的使用和测绘,研究 ROS 编程和控制。这需要使用人工智能和机器学习等先进技术,这对于确保机器人的高效可靠运行至关重要。2 激光雷达自主定位和导航系统 激光雷达自主定位和导航系统是现代机器人技术中的核心技术之一。它可以为机器人提供高精度的定位和导航能力,从而实现自主移动和执行任务。激光雷达用于探测周围环境并生成环境的三维地45第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控制No.17September,2023图2。导航控制系统根据激光雷达生成的地图对机器人的运动进行控制。激光雷达自主定位和导航系统具有以下特点。(1)高精度定位。激光雷达可以在机器人运动过程中对周围环境进行高精度扫描和定位,生成精确的三维地图。这使得机器人可以在复杂的环境中进行精确地导航,避免碰撞和错误的路径规划。(2)实时更新地图。由于激光雷达可以实时扫描周围环境,因此生成的地图可以实时更新,机器人可以根据最新的环境信息进行导航。这个特性使机器人可以应对复杂多变的环境。(3)自主导航。导航控制系统可以根据激光雷达生成的地图和机器人的目标点进行路径规划和控制,使机器人能够自主完成导航任务。机器人可以根据任务需求自主决策路径,提高机器人的智能化程度。(4)适用范围广。激光雷达自主定位和导航系统适用于室内和室外环境,可以应用于各种机器人应用场景。不论是医院、学校、超市等公共场所还是工厂、仓库等生产制造场所,都可以使用激光雷达自主定位和使用导航系统为机器人提供高精度定位和导航能力3-4。机器人搭载了 Livox360 高性能激光雷达,可以实现在0.1 s 内对360范围内环境完整扫描一次并输出点云数据,可以进行全向空间感知,建图,实时定位。为了使机器人进行全向空间感知,可将 3 D 激光雷达点云数据压缩为 2 D 并通过 gmapping 建图5-6,并通过 IMU 里程计估算位姿,计算机器人在地图上的相对位置,同时决策树为机器人提供导航路径点信息,配合底盘主控控制机器人移动,机器人在行进过程中将里程计数据和点云数据进行融合,建立空间实时地图,将障碍物信息保存在地图上7。综上所述,激光雷达自主定位和导航系统是现代机器人技术中不可或缺的核心技术之一,它可以为机器人提供高精度的定位和导航能力,实现自主移动和执行任务。3 设计原理 本文研究的多功能机器人主要由底盘、控制系统、机械臂、传感器和操作系统等组成。机器人的底盘部分采用全向轮和驱动电机,可以实现自主行驶和精准转向。全向轮可以使机器人在狭小的空间内快速转向和移动,提高机器人的灵活性和运动效率。驱动电机的控制可以通过控制系统实现,从而实现机器人的精准定位和自主导航。在底盘的设计中,还需要考虑机器人的载重能力、稳定性和耐久性等因素,以确保机器人能够顺利执行各项任务。机器人的控制系统采用了激光雷达自主定位导航技术,可以实现机器人的自主导航和避障。激光雷达可以对机器人周围的环境进行精确测量,从而实现机器人的位置感知和避障功能。在控制系统中,还需要研究机器人的控制算法和路径规划等关键技术,以确保机器人可以准确、高效地完成各项任务。机器人的机械臂部分可以根据需要配置不同的搬运器械,实现物资的搬运和消毒任务。机械臂的控制需要考虑力学原理和运动学问题,以确保机械臂的精准控制和稳定运动。机器人的操作系统部分可以集成人机交互界面,实现机器人的远程控制和监控。同时,研发人员还需要研究图像处理、语音识别等技术,以提高机器人的智能化程度和用户体验。4 IMU 陀螺仪传感器 由于底盘结构的特殊性,其底盘姿态角和云台姿态角需要单独测量,所以本文设计了基于 EKF 的姿态解算算法8-9,算法流程如图 1 所示。IMU 陀螺仪传感器主要引入了陀螺仪、加速度计、地磁传感器,主要的数据融合框架如图 1 所示。首先用陀螺仪预估出姿态角,后面的测量模型中用加速度计的测量模型和磁力的测量模型做后验估计,完成整个卡尔曼滤波的过程,最后将四元数转换成欧拉角输出。其中,加速度主要参与俯仰角和滚转角的后验,磁力计主要参与偏航角的后验。主控接收端的通信协议主要接收 IMU 回传的处理过的数据,主要有四元数、欧拉角、加速度、角速度、磁力计数据、温度以及时间戳,方便在 ROS 系统中进行数据同步。考虑到 IMU 传感器存在温漂,故采用功率电阻持续加热 IMU 部分使其保持恒温,同时为了减小高频 PWM 所带来的 EMI 干扰,加热电阻使用恒流驱动,非传统 PWM 开关 MOS,最大限度减少了 PWM 所55第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控制No.17September,2023带来的 EMI 干扰,IMU 部分挖槽孔分开,隔离外部干扰源,PCB 主要设计如图 2 所示。图 1 IMU 陀螺仪传感器算法流程图 2 PCB 主要设计5 结果与分析 通过实验验证,本文设计的多功能机器人具有良好的性能和稳定性。同时,本文设计了一套九轴 IMU姿态传感器使得机器人的运动规划和控制算法能够有效地实现机器人的自主运动和路径规划。经过测试市面上多种陀螺仪传感器后,比较综合价格和实际性能,笔者主要选定了 BMI160 六轴陀螺仪加速度传感器和 ICM20602 六轴陀螺仪加速度传感器,以及 MC3608磁力计和 MC5603 磁力计,选择 STM32F103C8 单片机负责姿态解算和通信任务。同时,激光雷达自主定位和导航系统被认为是现代机器人技术中的核心技术之一,能够为机器人提供高精度的定位和导航能力,使机器人能够自主移动和执行任务,机器人的避障和环境感知功能也得到了很好的应用。机器人的搬运器械机构可以完成运送物资、站岗巡逻等工作,适应了不同需求。6 结语 本文研发的基于激光雷达自主定位导航的多功能机器人,具有较高的智能化和自主化水平,该研究成果将有助于降低工作成本和风险,提高工作效率和质量,同时也能够提高公共卫生水平和工业制造效率。机器人的设计和开发采用了机器人系统工程的设计方法,充分考虑了机器人的机械结构、电子控制系统、自主导航和避障等方面的问题,为机器人在复65第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控制No.17September,2023杂环境下完成多项任务提供技术保障。本文还采用多种研究方法,包括理论分析、数值仿真、实验验证等,以确保机器人的设计和性能满足实际应用的需求。通过实验验证,机器人的性能和稳定性得到了充分的验证。参考文献1张省,张樊宇.防疫物资“无接触”机器人配送优化研究J.计算机工程与应用,2022(17):295-307.2王植,段诺,毛亚纯.基于低成本激光雷达 SLAM系统的深部采空区探测及三维建模J.金属矿山,2023(5):1-12.3何小英,王旭.激光雷达和视觉技术的机器人移动位置跟踪系统J.激光杂志,2023(1):232-237.4施建壮,张国伟,卢秋红,等.基于激光雷达的移动配送机器人自主导航研究J.现代计算机,2022(16):91-95.5付根平,朱立学,张世昂.基于 ROS 和激光雷达SLAM 的实训机器人J.信息技术与信息化,2021(11):32-35,42.6陈文佑,章伟,胡陟,等.一种融合深度相机与激光雷达的室内移动机器人建图与导航方法J.智能计算机与应用,2021(4):159-163.7蒋平山,柯张镭,孙亚欣,等.基于改进 YOLOv5 的防疫巡检机器人设计与实现J.无线电工程,2023(6):1416-1420.8李猛钢,胡而已,朱华.煤矿移动机器人 LiDAR/IMU 紧耦合 SLAM 方法J.工矿自动化,2022(12):68-78.9易颂轩,高伟强,刘建群,等.基于图优化和 EKF的 UWB 组合定位算法 J.电子测量技术,2022(23):1-6.(编辑 李春燕)Multi-function robot based on laser radar autonomous positioning and navigationLi Shao an Liu Xin Guo Changxin Wang Bo Ding Haoran Li Xiaojian Guilin Institute of Information Technology Guilin 541000 China Abstract With the continuous progress of science and technology robot technology has been widely used in various fields.Traditional manual operation has some problems such as high cost and high risk so it needs an autonomous intelligent robot to replace or assist manual operation.In this paper a multi-functional robot based on laser radar autonomous positioning and navigation is introduced which aims at materiel transportation and patrol.Through the study of kinematics dynamics the operating principle of the handling equipment mechanism and the key technologies such as autonomous navigation and obstacle avoidance the robot has the ability of autonomy programmability and high-precision positioning and navigation.It can provide the robot with high-precision positioning and navigation capabilities so that the robot can move and perform tasks autonomously.An IMU gyroscope sensor was developed for attitude calculation.The experimental results verify the performance and stability of the robot and prove that it can adapt to different work requirements.Key words robot LIDAR autonomous positioning and navigation depth learning body temperature detection75