高譽(yù) 熊夢彪 高波 花江雨 匡杜坤

摘 要：本設(shè)計(jì)基于SLAM理論研究室內(nèi)機(jī)器人的全向動圖及其動態(tài)建圖。機(jī)器人使用激光雷達(dá)檢測環(huán)境，自主繪制未知環(huán)境地圖，并在自主導(dǎo)航行駛路線時(shí)避開障礙物。同時(shí)為了應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人移動全向運(yùn)動的問題，設(shè)計(jì)麥克納姆輪模型實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在平面內(nèi)做出任意方向平移同時(shí)自轉(zhuǎn)的動作。并且在自主導(dǎo)航運(yùn)動時(shí)可以在上位機(jī)軟件控制其遠(yuǎn)程回傳視頻圖像?，F(xiàn)在的餐飲業(yè)，快遞業(yè)甚至是比較大的制造工廠等都已經(jīng)使用移動機(jī)器人協(xié)助工作，尤其是其自主導(dǎo)航技術(shù)發(fā)揮了重要作用。

關(guān)鍵詞：SLAM理論;全向運(yùn)動;上位機(jī);視頻圖像

1956年，喬治·德沃爾發(fā)明創(chuàng)造了世界上第一臺電子可編程的機(jī)器人，并且于1961年發(fā)表了該項(xiàng)專利[1]。在機(jī)器人發(fā)展萌芽時(shí)期，第一家制造工廠Unimation研制出了第一臺工業(yè)機(jī)器人，逐漸進(jìn)入實(shí)用階段。往后隨著各種技術(shù)的迭代升級和迅速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)，范圍廣泛，服務(wù)型機(jī)器人日趨成熟。移動機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)是對周圍的動態(tài)環(huán)境做一個(gè)世界模型，在這個(gè)過程中，要對物理世界建模，路徑規(guī)劃，避障移動等。世界模型可以對應(yīng)地圖構(gòu)建，對所處位置定位后規(guī)劃出最優(yōu)的路徑，自行繞開障礙物，到達(dá)指定目的地。這個(gè)技術(shù)在當(dāng)前社會各行業(yè)的需求條件下，一直受到廣泛關(guān)注，也處于研究前沿。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要是采取麥克納姆輪作為運(yùn)動模塊，通過建立數(shù)學(xué)模型可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在平面上360度無死角的全向運(yùn)動。同時(shí)采用激光雷達(dá)檢測環(huán)境，機(jī)器人自主構(gòu)建未知環(huán)境的地圖，自主導(dǎo)航行駛路線時(shí)躲避障礙物，順利通行。最后再將機(jī)器人所經(jīng)過的地方進(jìn)行一個(gè)動態(tài)建圖，實(shí)景圖像以及所建的地圖都將顯示在上位機(jī)上。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主控選擇

樹莓派由注冊于英國的慈善組織“Raspberry Pi 基金會”開發(fā)，Eben？Upton/埃·厄普頓為項(xiàng)目帶頭人[2]。一個(gè)最初用于教育的工具逐漸應(yīng)用于生活的各方面。一個(gè)僅比信用卡稍大的主板就可以聚合所有部件，相當(dāng)于一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，輸入輸出引腳是它和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的區(qū)別所在，可以連接外部組件和傳感器。主板可以連接任意的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線。同時(shí)電視機(jī)通過視頻模擬信號的電視輸出接口的連接，再連接上鍵盤，可以執(zhí)行很多功能，包括高清視頻播放等，十分便捷。較新型號的RPI還內(nèi)置藍(lán)牙和wifi，可以進(jìn)入無線模式。完全適合用于進(jìn)行激光雷達(dá)地圖建模，滿足本設(shè)計(jì)的選用要求。

2.2 機(jī)器人移動模塊設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中為了實(shí)現(xiàn)全向移動的功能將采用麥克納姆輪，麥克納姆輪是一種可以全方向移動的裝置，這種全方位移動方式是基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個(gè)機(jī)輪法向力上面[3]。當(dāng)車輪繞著定輪主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)小滾子的包絡(luò)面都是一個(gè)圓柱面，因此車輪可以連續(xù)向前滾動。相對于全向輪，麥克納姆輪應(yīng)用逐漸廣泛，尤其在各種賽事上的機(jī)器人，其酷炫的外形都是導(dǎo)致作為首選原因。

將4個(gè)新型輪子組合安裝在移動機(jī)器人上，全向移動的基本特點(diǎn)就實(shí)現(xiàn)了。基于麥克納姆技術(shù)的全向移動指的是前行，橫向移動，斜向移動以及各種更有難度的組合動作等。在有限的空間或者狹窄的通道環(huán)境下移動和作業(yè)需要這種技術(shù)的支持。全方位叉車和全方位運(yùn)輸平臺的制造解決了艦船條件下的有限空間問題。給艦船業(yè)帶來的極大的便利不管是在成本還是效益上都有所體現(xiàn)。麥克納姆輪的實(shí)物圖如下所示：

3 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

3.1激光雷達(dá)測距

激光雷達(dá)原理與雷達(dá)原理相似，激光雷達(dá)使用的技術(shù)是飛行時(shí)間（TOF，Time of Flight）[4]。激光發(fā)射器發(fā)射激光后，經(jīng)物體反射后被接收。使用光速測距，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。距離就是通過激光信號的時(shí)間差和相位差決定，角度通過水平旋轉(zhuǎn)掃描，建立二維極坐標(biāo)系，這兩個(gè)參數(shù)再加上俯仰角度可以構(gòu)建三維的有效信息。高頻激光在一秒內(nèi)可獲取大量的位置點(diǎn)信息，也就是點(diǎn)云，根據(jù)這些信息繪制三維環(huán)境地圖。激光雷達(dá)常應(yīng)用于自動駕駛汽車等領(lǐng)域。而事實(shí)上，激光雷達(dá)作為“機(jī)械之眼”，也大量應(yīng)用在無人機(jī)、機(jī)器人等等方向上。激光雷達(dá)測距示意圖如下圖所示：

激光雷達(dá)還具備獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如極高的距離分辨率和角分辨率、速度分辨率高、測速范圍廣、能獲得目標(biāo)的多種圖像、抗干擾能力強(qiáng)、比微波雷達(dá)的體積和重量小等[5]。不僅可以精確測量目標(biāo)距離和角度，還可以準(zhǔn)確掌握運(yùn)動狀態(tài)，在探測識別目標(biāo)的同時(shí)能夠跟蹤目標(biāo)。

3.2路徑規(guī)劃技術(shù)

路徑規(guī)劃是計(jì)算出滿足機(jī)器人運(yùn)動學(xué)約束的最佳無碰撞軌跡。然而，周圍環(huán)境的地圖可能存在不準(zhǔn)確或不完整的問題。如果機(jī)器人盲目地沿著這樣一條路徑移動，仍然會有無法及時(shí)躲避障礙物的問題。路徑規(guī)劃分為兩種，全局路徑規(guī)劃是在地圖繪制的基礎(chǔ)上，根據(jù)地圖來選擇到達(dá)目的地的最佳路徑。而局部規(guī)劃是基于傳感器數(shù)據(jù)信息，主要進(jìn)行精準(zhǔn)的避障和當(dāng)前路段的規(guī)劃，控制機(jī)器人沿著基于地圖的全局路徑行駛。

移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)概括為以下4類：模版匹配路徑規(guī)劃技術(shù)、人工勢場路徑規(guī)劃技術(shù)、地圖構(gòu)建路徑規(guī)劃技術(shù)和人工智能路徑規(guī)劃技術(shù)。

4結(jié)語

此次設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)由樹莓派作為主控，和一些外部電路構(gòu)成。本設(shè)計(jì)是一個(gè)硬件實(shí)物模型，重點(diǎn)研究和分析了以下問題：機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)在未知環(huán)境下自主建立二維地圖模型，并實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、自主避障、實(shí)時(shí)視頻圖像傳輸?shù)裙δ?通過上位機(jī)軟件可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)地顯示機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)，包括各部件溫度、電量等信息。

參考文獻(xiàn)：

[1]李想. 基于SLAM的室內(nèi)移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)研究[D].

[2] 何江. 基于樹莓派的智能云灌溉系統(tǒng)研究[D].

[3] 葉楊笙. 通用移動機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].

[4] 楊慧林. 基于四線激光雷達(dá)的目標(biāo)檢測與跟蹤算法研究[D]. 2019.

[5] 賀應(yīng)紅. Mie散射激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與大氣消光系數(shù)反演方法研究[D]. 四川大學(xué)， 2004.

項(xiàng)目編號：202010742061

由西北民族大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目資助

（西北民族大學(xué)? 甘肅? 蘭州? 730124）