室內(nèi)激光雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

室內(nèi)激光雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)是近些年來興起的一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，它在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中都有非常重要的用途。激光雷達(dá)在室外的定位導(dǎo)航應(yīng)用中有非常好的表現(xiàn)，地磁傳感器在行駛角度測量方面比較成熟，將二者結(jié)合并針對室內(nèi)導(dǎo)航進(jìn)行設(shè)計(jì)，將會取得較好的效果。本文分析了室內(nèi)激光雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：室內(nèi)激光雷達(dá)；導(dǎo)航系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；1引言隨著激光掃描技術(shù)的發(fā)展，基于激光掃描系統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境地圖構(gòu)建技術(shù)廣泛地被運(yùn)用到機(jī)器人的視覺導(dǎo)航中。針對當(dāng)前研究中所使用的激光掃描儀體積笨重、價(jià)格昂貴，不適合小型移動機(jī)器人裝配的不足，提出一種低成本的激光雷達(dá)組成的環(huán)境地圖構(gòu)建系統(tǒng)。2原理激光雷達(dá)是傳統(tǒng)雷達(dá)與激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是以微波雷達(dá)原理為基礎(chǔ)，將激光束作為探測信號。激光雷達(dá)工作時(shí)，首先發(fā)射機(jī)發(fā)射一束特定功率的激光束，經(jīng)過大氣傳輸輻射到目標(biāo)表面上，反射的回波由接收裝置接收，再對回波信號進(jìn)行處理，提取有用的信息。通過測量反射和散射回波信號的時(shí)間間隔、頻率變化、波束所指方向等就可以確定目標(biāo)的距離、方位和速度等信息。利用激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航的原理：首先使用激光雷達(dá)對室內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行激光探測，得到周圍障礙物距離探測點(diǎn)的相對坐標(biāo)，然后構(gòu)建以探測點(diǎn)為中心、以雷達(dá)掃描半徑為最大區(qū)域的環(huán)境地圖；最后在車輛行駛過程中連續(xù)使用激光雷達(dá)進(jìn)行探測，得到以當(dāng)前位置為中心的環(huán)境信息，與地圖中的特征點(diǎn)對比后可以確定車輛在地圖中所處的位置，從而達(dá)到導(dǎo)航的目的。這里將其與智能小車進(jìn)行組合，不僅價(jià)格實(shí)惠，而且具有掃描精確、裝配輕便的優(yōu)點(diǎn)。因此非常適合應(yīng)用到小型機(jī)器人視覺導(dǎo)航及環(huán)境地圖的構(gòu)建中。3室內(nèi)激光雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)3.1室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建室內(nèi)激光導(dǎo)航技術(shù)是在分析室內(nèi)定位和室內(nèi)導(dǎo)航特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將激光雷達(dá)技術(shù)從室外引入到室內(nèi)的一種導(dǎo)航方法。由微處理器控制激光發(fā)射器向四周發(fā)射激光束探測周圍環(huán)境，同時(shí)接收反射回來的激光信號，經(jīng)過信號分析得知周圍的環(huán)境信息，據(jù)此規(guī)劃出到達(dá)某一地點(diǎn)的行駛路線。在行進(jìn)過程中使用地磁傳感器測量前進(jìn)的方向，并根據(jù)行進(jìn)過程中得到的環(huán)境信息來確定是否在規(guī)劃的路線上行駛，如果偏離，能及時(shí)地做出調(diào)整，最終到達(dá)目的地。RFID閱讀器不斷地掃描周圍是否有RFID路標(biāo)，掃描到的路標(biāo)中包含車輛行駛所需的關(guān)鍵點(diǎn)的位置信息，能輔助小車到達(dá)最終的目的地。3.2激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取激光雷達(dá)能以較高的頻率掃描一個(gè)平面或空間內(nèi)的環(huán)境信息，室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)能夠利用這些信息對運(yùn)動物體進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。倉儲車間的環(huán)境相對簡單，物品擺放比較整齊，為了減少數(shù)據(jù)量和提高數(shù)據(jù)處理效率，采用單線激光雷達(dá)來進(jìn)行掃描，使微處理器縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間。用于室外的激光雷達(dá)探測距離遠(yuǎn)，性能比較好，但成本很高，室內(nèi)載物小車上使用的激光雷達(dá)在成本方面要適當(dāng)降低。工廠倉儲車間的面積一般不會很大，面積以1000m2左右的居多，從成本和實(shí)用角度出發(fā)在室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用探測半徑最大為15m的激光雷達(dá)。該激光雷達(dá)掃描頻率2000點(diǎn)/s、每秒掃描2周，即0.5s掃描一個(gè)平面的數(shù)據(jù)為1000個(gè)。激光雷達(dá)360°掃描周圍的環(huán)境，得到周圍環(huán)境的信息，經(jīng)過激光束的發(fā)送和接收得到障礙物到雷達(dá)中心的距離。3.3環(huán)境地圖擬合激光雷達(dá)掃描周圍環(huán)境，得到環(huán)境中墻壁、貨物等障礙物到激光雷達(dá)中心的距離數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)組成離散的室內(nèi)環(huán)境輪廓圖。要想得到連續(xù)的環(huán)境信息，還需要對離散的數(shù)據(jù)進(jìn)行差補(bǔ)等擬合算法的處理，常用的擬合算法有最小二乘法、最小絕對殘差法。最小二乘法是通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。整體的環(huán)境信息是將擬合后的局部輪廓連接在一起得到的，這是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航的基礎(chǔ)。激光雷達(dá)所采集的一組環(huán)境數(shù)據(jù)點(diǎn)集由許多點(diǎn)構(gòu)成。通常，由于噪聲，光線以及物體表面反射等原因，一組數(shù)據(jù)點(diǎn)集當(dāng)中存在許多的無用信息。這些負(fù)面信息會直接影響環(huán)境地圖的創(chuàng)建效果。因此，為了獲得更為精確的環(huán)境地圖，通過激光測距系統(tǒng)獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行直線提取的處理，為得到精確的環(huán)境地圖提供前提。將處理后的數(shù)據(jù)重新輸入軟件系統(tǒng)即可得到濾噪后的環(huán)境地圖。3.4根據(jù)環(huán)境地圖規(guī)劃行駛路線得到擬合后的環(huán)境地圖之后，可以根據(jù)地圖中的特征點(diǎn)和貨運(yùn)小車的目的地規(guī)劃出行駛路線。路線的規(guī)劃不僅要考慮是否走得通，還要考慮是否適合貨運(yùn)小車載貨后通行方便。綜合以上因素考慮，在設(shè)計(jì)行駛路線時(shí)不能簡單地采用距離最短的路徑，而是選擇靠近形狀比較規(guī)則的障礙物（例如墻壁、貨架等）進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣小車在行駛過程中的參照物相對固定，路線也比較規(guī)則，偏差距離更容易控制，行駛起來就會順暢。貨運(yùn)小車的實(shí)際運(yùn)動軌跡與理論上存在一定的差距，需要根據(jù)實(shí)際情況不斷地修正，例如運(yùn)動方向、運(yùn)動速度、載貨后的質(zhì)量等，所以設(shè)計(jì)出的行進(jìn)路線不能僅僅是一條線，而是以行進(jìn)路線為中心線的行駛區(qū)域。3.5地磁傳感器運(yùn)動角度測量地磁傳感器是采用法拉第電磁感應(yīng)定律，利用被測物體在地磁場中的運(yùn)動狀態(tài)不同，通過感應(yīng)地磁場的分布變化而指示被測物體的姿勢和運(yùn)動角度等信息的測量裝置。地磁傳感器能夠測出軸方向上的地磁場強(qiáng)度，傳感器量測軸與磁場方向之間的角度。利用地磁傳感器可以制作電子指南針，在導(dǎo)航特別是盲區(qū)導(dǎo)航中有很重要的作用，在室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)中使用地磁傳感器來測量車輛的行駛角度，為車輛導(dǎo)航提供信息。在室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)中使用RFID電子標(biāo)簽作為地標(biāo)，地標(biāo)中包含重要的位置信息，可能與貨運(yùn)小車的前進(jìn)方向相關(guān)，也可能是指示最終目的地的信息。RFID（無線射頻識別技術(shù)）是一種非接觸式的信息自動獲取技術(shù)，利用無線電信號空間耦合原理自動獲取電子標(biāo)簽的信息，操作快捷方便，適合各種惡劣環(huán)境下的信息采集。室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)中的RFID電子地標(biāo)用來存儲貨物的倉儲位置、車輛指定停放的位置和在某些地點(diǎn)的方向指示等信息。車輛在行駛中使用車載RFID閱讀器不斷掃描周圍的電子地標(biāo)，由于閱讀器的掃描范圍有限（約為0.3m），所以當(dāng)掃描到目的地的地標(biāo)時(shí)就可以認(rèn)為已經(jīng)到達(dá)了目的地。RFID電子地標(biāo)的作用是輔助激光雷達(dá)進(jìn)行室內(nèi)導(dǎo)航的工作。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取與處理部分是導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部分，數(shù)據(jù)處理的工作量比較大，所以采用處理速度快和處理能力較強(qiáng)的32位微處理器為硬件核心，保證系統(tǒng)良好地運(yùn)行。4結(jié)語室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)相對于室外以衛(wèi)星定位為基礎(chǔ)導(dǎo)航技術(shù)還不是很成熟，各種原理的導(dǎo)航方法仍然在研究當(dāng)中，對比目前正在研究或使用中的導(dǎo)航方法，以激光雷達(dá)為核心的導(dǎo)航方法是將在室外定位導(dǎo)航中成熟應(yīng)用的激光雷達(dá)導(dǎo)航方法移植到室內(nèi)，該系統(tǒng)可以針對不同的應(yīng)用進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整和修改，滿足不同環(huán)境下導(dǎo)航的需求，有很好示范作用。參考文獻(xiàn)：任春明，張建勛.基于激光傳感器的機(jī)器人地圖構(gòu)建方