摘要：隨著科技的不斷進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的人工操作存在著人力成本高、風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題，因此需要一種自主智能的機(jī)器人來(lái)替代或輔助人工操作。文章介紹了一種基于激光雷達(dá)自主定位導(dǎo)航的多功能機(jī)器人，旨在實(shí)現(xiàn)物資運(yùn)輸和巡邏任務(wù)。通過(guò)研究運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、搬運(yùn)器械機(jī)構(gòu)的運(yùn)行原理以及自主導(dǎo)航和避障等關(guān)鍵技術(shù)，機(jī)器人具備自主性、可編程性和高精度定位導(dǎo)航能力，能夠自主移動(dòng)和執(zhí)行任務(wù)。針對(duì)姿態(tài)解算，文章研發(fā)了一款I(lǐng)MU陀螺儀傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)器人的性能和穩(wěn)定性，并證明其適應(yīng)不同工作需求。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；激光雷達(dá)；自主定位導(dǎo)航；深度學(xué)習(xí)；體溫檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TN912.3文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)行應(yīng)急搬運(yùn)的多功能機(jī)器人。在實(shí)際工作中，消毒、運(yùn)輸和巡邏等工作是不可或缺的，但這些工作往往需要耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間［1］。在此背景下，利用機(jī)器人技術(shù)來(lái)完成搬運(yùn)工作已成為一種趨勢(shì)。機(jī)器人具有自主性、可編程性、高精度等優(yōu)點(diǎn)，可以降低工作的成本和風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率。因此，研發(fā)一種多功能機(jī)器人，對(duì)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(dá)自主定位導(dǎo)航的多功能機(jī)器人，該機(jī)器人能夠自主完成運(yùn)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(jì)和制造這種機(jī)器人的過(guò)程中，需要研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、搬運(yùn)器械機(jī)構(gòu)的運(yùn)行原理、自主導(dǎo)航和避障等關(guān)鍵技術(shù)。本文通過(guò)對(duì)這些技術(shù)的研究和應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)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?jī)?nèi)容

本文開(kāi)發(fā)的多功能機(jī)器人可以執(zhí)行3項(xiàng)基本任務(wù)：物資運(yùn)輸、消毒和巡邏。機(jī)器人需要在各種地形中平穩(wěn)運(yùn)行并執(zhí)行補(bǔ)給運(yùn)輸任務(wù)，需要研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)。為了保證機(jī)器人的操作和運(yùn)動(dòng)，必須研究機(jī)器人工作、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、控制和感知的理論和技術(shù)。

此外，機(jī)器人應(yīng)配備可以抓取、運(yùn)輸和消毒材料的搬運(yùn)裝置。因此，研究承載機(jī)構(gòu)的運(yùn)行原理對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)與全方位移動(dòng)平臺(tái)的平穩(wěn)協(xié)調(diào)是必要的。在確保與機(jī)器人主體順利組合的同時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

機(jī)器人必須實(shí)時(shí)構(gòu)建地圖，執(zhí)行自動(dòng)避障、自我巡邏和在檢查站站崗。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，有必要研究激光雷達(dá)的使用和測(cè)繪，研究ROS編程和控制。這需要使用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，這對(duì)于確保機(jī)器人的高效可靠運(yùn)行至關(guān)重要。

2 激光雷達(dá)自主定位和導(dǎo)航系統(tǒng)

激光雷達(dá)自主定位和導(dǎo)航系統(tǒng)是現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)中的核心技術(shù)之一。它可以為機(jī)器人提供高精度的定位和導(dǎo)航能力，從而實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)和執(zhí)行任務(wù)。激光雷達(dá)用于探測(cè)周圍環(huán)境并生成環(huán)境的三維地圖［2］。導(dǎo)航控制系統(tǒng)根據(jù)激光雷達(dá)生成的地圖對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

激光雷達(dá)自主定位和導(dǎo)航系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

（1）高精度定位。

激光雷達(dá)可以在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行高精度掃描和定位，生成精確的三維地圖。這使得機(jī)器人可以在復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行精確地導(dǎo)航，避免碰撞和錯(cuò)誤的路徑規(guī)劃。

（2）實(shí)時(shí)更新地圖。

由于激光雷達(dá)可以實(shí)時(shí)掃描周圍環(huán)境，因此生成的地圖可以實(shí)時(shí)更新，機(jī)器人可以根據(jù)最新的環(huán)境信息進(jìn)行導(dǎo)航。這個(gè)特性使機(jī)器人可以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境。

（3）自主導(dǎo)航。

導(dǎo)航控制系統(tǒng)可以根據(jù)激光雷達(dá)生成的地圖和機(jī)器人的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行路徑規(guī)劃和控制，使機(jī)器人能夠自主完成導(dǎo)航任務(wù)。機(jī)器人可以根據(jù)任務(wù)需求自主決策路徑，提高機(jī)器人的智能化程度。

（4）適用范圍廣。

激光雷達(dá)自主定位和導(dǎo)航系統(tǒng)適用于室內(nèi)和室外環(huán)境，可以應(yīng)用于各種機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景。不論是醫(yī)院、學(xué)校、超市等公共場(chǎng)所還是工廠、倉(cāng)庫(kù)等生產(chǎn)制造場(chǎng)所，都可以使用激光雷達(dá)自主定位和使用導(dǎo)航系統(tǒng)為機(jī)器人提供高精度定位和導(dǎo)航能力［3-4］。

機(jī)器人搭載了Livox360高性能激光雷達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)在0.1s內(nèi)對(duì)360°范圍內(nèi)環(huán)境完整掃描一次并輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行全向空間感知，建圖，實(shí)時(shí)定位。

為了使機(jī)器人進(jìn)行全向空間感知，可將3D激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮為2D并通過(guò)gmapping建圖［5-6］，并通過(guò)IMU里程計(jì)估算位姿，計(jì)算機(jī)器人在地圖上的相對(duì)位置，同時(shí)決策樹(shù)為機(jī)器人提供導(dǎo)航路徑點(diǎn)信息，配合底盤主控控制機(jī)器人移動(dòng)，機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中將里程計(jì)數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，建立空間實(shí)時(shí)地圖，將障礙物信息保存在地圖上［7］。

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

3 設(shè)計(jì)原理

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

機(jī)器人的底盤部分采用全向輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)自主行駛和精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向。全向輪可以使機(jī)器人在狹小的空間內(nèi)快速轉(zhuǎn)向和移動(dòng)，提高機(jī)器人的靈活性和運(yùn)動(dòng)效率。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制可以通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精準(zhǔn)定位和自主導(dǎo)航。

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

機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用了激光雷達(dá)自主定位導(dǎo)航技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主導(dǎo)航和避障。激光雷達(dá)可以對(duì)機(jī)器人周圍的環(huán)境進(jìn)行精確測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)器人的控制算法和路徑規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)，以確保機(jī)器人可以準(zhǔn)確、高效地完成各項(xiàng)任務(wù)。

機(jī)器人的機(jī)械臂部分可以根據(jù)需要配置不同的搬運(yùn)器械，實(shí)現(xiàn)物資的搬運(yùn)和消毒任務(wù)。機(jī)械臂的控制需要考慮力學(xué)原理和運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題，以確保機(jī)械臂的精準(zhǔn)控制和穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。

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

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(tái)姿態(tài)角需要單獨(dú)測(cè)量，所以本文設(shè)計(jì)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(jì)、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(yù)估出姿態(tài)角，后面的測(cè)量模型中用加速度計(jì)的測(cè)量模型和磁力的測(cè)量模型做后驗(yàn)估計(jì)，完成整個(gè)卡爾曼濾波的過(guò)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(yàn)，磁力計(jì)主要參與偏航角的后驗(yàn)。

主控接收端的通信協(xié)議主要接收IMU回傳的處理過(guò)的數(shù)據(jù)，主要有四元數(shù)、歐拉角、加速度、角速度、磁力計(jì)數(shù)據(jù)、溫度以及時(shí)間戳，方便在ROS系統(tǒng)中進(jìn)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(shí)為了減小高頻PWM所帶來(lái)的EMI干擾，加熱電阻使用恒流驅(qū)動(dòng)，非傳統(tǒng)PWM開(kāi)關(guān)MOS，最大限度減少了PWM所帶來(lái)的EMI干擾，IMU部分挖槽孔分開(kāi)，隔離外部干擾源，PCB主要設(shè)計(jì)如圖2所示。

5 結(jié)果與分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的多功能機(jī)器人具有良好的性能和穩(wěn)定性。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)了一套九軸IMU姿態(tài)傳感器使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制算法能夠有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)和路徑規(guī)劃。經(jīng)過(guò)測(cè)試市面上多種陀螺儀傳感器后，比較綜合價(jià)格和實(shí)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(jì)和MC5603磁力計(jì)，選擇STM32F103C8單片機(jī)負(fù)責(zé)姿態(tài)解算和通信任務(wù)。

同時(shí)，激光雷達(dá)自主定位和導(dǎo)航系統(tǒng)被認(rèn)為是現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)中的核心技術(shù)之一，能夠?yàn)闄C(jī)器人提供高精度的定位和導(dǎo)航能力，使機(jī)器人能夠自主移動(dòng)和執(zhí)行任務(wù)，機(jī)器人的避障和環(huán)境感知功能也得到了很好的應(yīng)用。機(jī)器人的搬運(yùn)器械機(jī)構(gòu)可以完成運(yùn)送物資、站崗巡邏等工作，適應(yīng)了不同需求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文研發(fā)的基于激光雷達(dá)自主定位導(dǎo)航的多功能機(jī)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(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率和質(zhì)量，同時(shí)也能夠提高公共衛(wèi)生水平和工業(yè)制造效率。機(jī)器人的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)采用了機(jī)器人系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)方法，充分考慮了機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子控制系統(tǒng)、自主導(dǎo)航和避障等方面的問(wèn)題，為機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下完成多項(xiàng)任務(wù)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等，以確保機(jī)器人的設(shè)計(jì)和性能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)器人的性能和穩(wěn)定性得到了充分的驗(yàn)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