摘要：隨著科技的不斷進步，機器人技術(shù)在各個領(lǐng)域得到廣泛應用。傳統(tǒng)的人工操作存在著人力成本高、風險大等問題，因此需要一種自主智能的機器人來替代或輔助人工操作。文章介紹了一種基于激光雷達自主定位導航的多功能機器人，旨在實現(xiàn)物資運輸和巡邏任務。通過研究運動學、動力學、搬運器械機構(gòu)的運行原理以及自主導航和避障等關(guān)鍵技術(shù)，機器人具備自主性、可編程性和高精度定位導航能力，能夠自主移動和執(zhí)行任務。針對姿態(tài)解算，文章研發(fā)了一款I(lǐng)MU陀螺儀傳感器。實驗結(jié)果驗證了機器人的性能和穩(wěn)定性，并證明其適應不同工作需求。

關(guān)鍵詞：機器人；激光雷達；自主定位導航；深度學習；體溫檢測

中圖分類號：TN912.3文獻標志碼：A

0 引言

隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)缺少一種可以進行應急搬運的多功能機器人。在實際工作中，消毒、運輸和巡邏等工作是不可或缺的，但這些工作往往需要耗費大量的人力、物力和時間［1］。在此背景下，利用機器人技術(shù)來完成搬運工作已成為一種趨勢。機器人具有自主性、可編程性、高精度等優(yōu)點，可以降低工作的成本和風險，提高工作效率。因此，研發(fā)一種多功能機器人，對于提高工作效率和質(zhì)量具有重要意義。

本文提出了一種基于激光雷達自主定位導航的多功能機器人，該機器人能夠自主完成運送物資、站崗巡邏等工作，具有較高的智能化和自主化水平。在設(shè)計和制造這種機器人的過程中，需要研究機器人的運動學和動力學、搬運器械機構(gòu)的運行原理、自主導航和避障等關(guān)鍵技術(shù)。本文通過對這些技術(shù)的研究和應用，可以實現(xiàn)機器人的多功能化和自主化，從而提高工作的效率和質(zhì)量。

1 研究內(nèi)容

本文開發(fā)的多功能機器人可以執(zhí)行3項基本任務：物資運輸、消毒和巡邏。機器人需要在各種地形中平穩(wěn)運行并執(zhí)行補給運輸任務，需要研究機器人的運動學和動力學。為了保證機器人的操作和運動，必須研究機器人工作、運動規(guī)劃、控制和感知的理論和技術(shù)。

此外，機器人應配備可以抓取、運輸和消毒材料的搬運裝置。因此，研究承載機構(gòu)的運行原理對于實現(xiàn)機構(gòu)與全方位移動平臺的平穩(wěn)協(xié)調(diào)是必要的。在確保與機器人主體順利組合的同時實現(xiàn)穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

機器人必須實時構(gòu)建地圖，執(zhí)行自動避障、自我巡邏和在檢查站站崗。為了實現(xiàn)這些功能，有必要研究激光雷達的使用和測繪，研究ROS編程和控制。這需要使用人工智能和機器學習等先進技術(shù)，這對于確保機器人的高效可靠運行至關(guān)重要。

2 激光雷達自主定位和導航系統(tǒng)

激光雷達自主定位和導航系統(tǒng)是現(xiàn)代機器人技術(shù)中的核心技術(shù)之一。它可以為機器人提供高精度的定位和導航能力，從而實現(xiàn)自主移動和執(zhí)行任務。激光雷達用于探測周圍環(huán)境并生成環(huán)境的三維地圖［2］。導航控制系統(tǒng)根據(jù)激光雷達生成的地圖對機器人的運動進行控制。

激光雷達自主定位和導航系統(tǒng)具有以下特點。

（1）高精度定位。

激光雷達可以在機器人運動過程中對周圍環(huán)境進行高精度掃描和定位，生成精確的三維地圖。這使得機器人可以在復雜的環(huán)境中進行精確地導航，避免碰撞和錯誤的路徑規(guī)劃。

（2）實時更新地圖。

由于激光雷達可以實時掃描周圍環(huán)境，因此生成的地圖可以實時更新，機器人可以根據(jù)最新的環(huán)境信息進行導航。這個特性使機器人可以應對復雜多變的環(huán)境。

（3）自主導航。

導航控制系統(tǒng)可以根據(jù)激光雷達生成的地圖和機器人的目標點進行路徑規(guī)劃和控制，使機器人能夠自主完成導航任務。機器人可以根據(jù)任務需求自主決策路徑，提高機器人的智能化程度。

（4）適用范圍廣。

激光雷達自主定位和導航系統(tǒng)適用于室內(nèi)和室外環(huán)境，可以應用于各種機器人應用場景。不論是醫(yī)院、學校、超市等公共場所還是工廠、倉庫等生產(chǎn)制造場所，都可以使用激光雷達自主定位和使用導航系統(tǒng)為機器人提供高精度定位和導航能力［3-4］。

機器人搭載了Livox360高性能激光雷達，可以實現(xiàn)在0.1s內(nèi)對360°范圍內(nèi)環(huán)境完整掃描一次并輸出點云數(shù)據(jù)，可以進行全向空間感知，建圖，實時定位。

為了使機器人進行全向空間感知，可將3D激光雷達點云數(shù)據(jù)壓縮為2D并通過gmapping建圖［5-6］，并通過IMU里程計估算位姿，計算機器人在地圖上的相對位置，同時決策樹為機器人提供導航路徑點信息，配合底盤主控控制機器人移動，機器人在行進過程中將里程計數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)進行融合，建立空間實時地圖，將障礙物信息保存在地圖上［7］。

綜上所述，激光雷達自主定位和導航系統(tǒng)是現(xiàn)代機器人技術(shù)中不可或缺的核心技術(shù)之一，它可以為機器人提供高精度的定位和導航能力，實現(xiàn)自主移動和執(zhí)行任務。

3 設(shè)計原理

本文研究的多功能機器人主要由底盤、控制系統(tǒng)、機械臂、傳感器和操作系統(tǒng)等組成。

機器人的底盤部分采用全向輪和驅(qū)動電機，可以實現(xiàn)自主行駛和精準轉(zhuǎn)向。全向輪可以使機器人在狹小的空間內(nèi)快速轉(zhuǎn)向和移動，提高機器人的靈活性和運動效率。驅(qū)動電機的控制可以通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)，從而實現(xiàn)機器人的精準定位和自主導航。

在底盤的設(shè)計中，還需要考慮機器人的載重能力、穩(wěn)定性和耐久性等因素，以確保機器人能夠順利執(zhí)行各項任務。

機器人的控制系統(tǒng)采用了激光雷達自主定位導航技術(shù)，可以實現(xiàn)機器人的自主導航和避障。激光雷達可以對機器人周圍的環(huán)境進行精確測量，從而實現(xiàn)機器人的位置感知和避障功能。在控制系統(tǒng)中，還需要研究機器人的控制算法和路徑規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)，以確保機器人可以準確、高效地完成各項任務。

機器人的機械臂部分可以根據(jù)需要配置不同的搬運器械，實現(xiàn)物資的搬運和消毒任務。機械臂的控制需要考慮力學原理和運動學問題，以確保機械臂的精準控制和穩(wěn)定運動。

機器人的操作系統(tǒng)部分可以集成人機交互界面，實現(xiàn)機器人的遠程控制和監(jiān)控。同時，研發(fā)人員還需要研究圖像處理、語音識別等技術(shù)，以提高機器人的智能化程度和用戶體驗。

4 IMU陀螺儀傳感器

由于底盤結(jié)構(gòu)的特殊性，其底盤姿態(tài)角和云臺姿態(tài)角需要單獨測量，所以本文設(shè)計了基于EKF的姿態(tài)解算算法［8-9］，算法流程如圖1所示。IMU陀螺儀傳感器主要引入了陀螺儀、加速度計、地磁傳感器，主要的數(shù)據(jù)融合框架如圖1所示。首先用陀螺儀預估出姿態(tài)角，后面的測量模型中用加速度計的測量模型和磁力的測量模型做后驗估計，完成整個卡爾曼濾波的過程，最后將四元數(shù)轉(zhuǎn)換成歐拉角輸出。其中，加速度主要參與俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的后驗，磁力計主要參與偏航角的后驗。

主控接收端的通信協(xié)議主要接收IMU回傳的處理過的數(shù)據(jù)，主要有四元數(shù)、歐拉角、加速度、角速度、磁力計數(shù)據(jù)、溫度以及時間戳，方便在ROS系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)同步。

考慮到IMU傳感器存在溫漂，故采用功率電阻持續(xù)加熱IMU部分使其保持恒溫，同時為了減小高頻PWM所帶來的EMI干擾，加熱電阻使用恒流驅(qū)動，非傳統(tǒng)PWM開關(guān)MOS，最大限度減少了PWM所帶來的EMI干擾，IMU部分挖槽孔分開，隔離外部干擾源，PCB主要設(shè)計如圖2所示。

5 結(jié)果與分析

通過實驗驗證，本文設(shè)計的多功能機器人具有良好的性能和穩(wěn)定性。同時，本文設(shè)計了一套九軸IMU姿態(tài)傳感器使得機器人的運動規(guī)劃和控制算法能夠有效地實現(xiàn)機器人的自主運動和路徑規(guī)劃。經(jīng)過測試市面上多種陀螺儀傳感器后，比較綜合價格和實際性能，筆者主要選定了BMI160六軸陀螺儀加速度傳感器和ICM20602六軸陀螺儀加速度傳感器，以及MC3608磁力計和MC5603磁力計，選擇STM32F103C8單片機負責姿態(tài)解算和通信任務。

同時，激光雷達自主定位和導航系統(tǒng)被認為是現(xiàn)代機器人技術(shù)中的核心技術(shù)之一，能夠為機器人提供高精度的定位和導航能力，使機器人能夠自主移動和執(zhí)行任務，機器人的避障和環(huán)境感知功能也得到了很好的應用。機器人的搬運器械機構(gòu)可以完成運送物資、站崗巡邏等工作，適應了不同需求。

6 結(jié)語

本文研發(fā)的基于激光雷達自主定位導航的多功能機器人，具有較高的智能化和自主化水平，該研究成果將有助于降低工作成本和風險，提高工作效率和質(zhì)量，同時也能夠提高公共衛(wèi)生水平和工業(yè)制造效率。機器人的設(shè)計和開發(fā)采用了機器人系統(tǒng)工程的設(shè)計方法，充分考慮了機器人的機械結(jié)構(gòu)、電子控制系統(tǒng)、自主導航和避障等方面的問題，為機器人在復雜環(huán)境下完成多項任務提供技術(shù)保障。本文還采用多種研究方法，包括理論分析、數(shù)值仿真、實驗驗證等，以確保機器人的設(shè)計和性能滿足實際應用的需求。通過實驗驗證，機器人的性能和穩(wěn)定性得到了充分的驗證。

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Multi-function robot based on laser radar autonomous positioning and navigation

LiShao’an， LiuXin， GuoChangxin， WangBo， DingHaoran， LiXiaojian*

（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 detection