室內(nèi)激光雷達導航系統(tǒng)設計

室內(nèi)激光雷達導航系統(tǒng)設計摘要：室內(nèi)導航技術是近些年來興起的一個熱點技術，它在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中都有非常重要的用途。激光雷達在室外的定位導航應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)導航進行設計，將會取得較好的效果。本文分析了室內(nèi)激光雷達導航系統(tǒng)設計。關鍵詞：室內(nèi)激光雷達；導航系統(tǒng)；設計；1引言隨著激光掃描技術的發(fā)展，基于激光掃描系統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境地圖構(gòu)建技術廣泛地被運用到機器人的視覺導航中。針對當前研究中所使用的激光掃描儀體積笨重、價格昂貴，不適合小型移動機器人裝配的不足，提出一種低成本的激光雷達組成的環(huán)境地圖構(gòu)建系統(tǒng)。2原理激光雷達是傳統(tǒng)雷達與激光技術相結(jié)合的產(chǎn)物，是以微波雷達原理為基礎，將激光束作為探測信號。激光雷達工作時，首先發(fā)射機發(fā)射一束特定功率的激光束，經(jīng)過大氣傳輸輻射到目標表面上，反射的回波由接收裝置接收，再對回波信號進行處理，提取有用的信息。通過測量反射和散射回波信號的時間間隔、頻率變化、波束所指方向等就可以確定目標的距離、方位和速度等信息。利用激光雷達實現(xiàn)室內(nèi)導航的原理：首先使用激光雷達對室內(nèi)的區(qū)域進行激光探測，得到周圍障礙物距離探測點的相對坐標，然后構(gòu)建以探測點為中心、以雷達掃描半徑為最大區(qū)域的環(huán)境地圖；最后在車輛行駛過程中連續(xù)使用激光雷達進行探測，得到以當前位置為中心的環(huán)境信息，與地圖中的特征點對比后可以確定車輛在地圖中所處的位置，從而達到導航的目的。這里將其與智能小車進行組合，不僅價格實惠，而且具有掃描精確、裝配輕便的優(yōu)點。因此非常適合應用到小型機器人視覺導航及環(huán)境地圖的構(gòu)建中。3室內(nèi)激光雷達導航系統(tǒng)3.1室內(nèi)導航系統(tǒng)構(gòu)建室內(nèi)激光導航技術是在分析室內(nèi)定位和室內(nèi)導航特點的基礎上，將激光雷達技術從室外引入到室內(nèi)的一種導航方法。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)劃出到達某一地點的行駛路線。在行進過程中使用地磁傳感器測量前進的方向，并根據(jù)行進過程中得到的環(huán)境信息來確定是否在規(guī)劃的路線上行駛，如果偏離，能及時地做出調(diào)整，最終到達目的地。RFID閱讀器不斷地掃描周圍是否有RFID路標，掃描到的路標中包含車輛行駛所需的關鍵點的位置信息，能輔助小車到達最終的目的地。3.2激光雷達數(shù)據(jù)獲取激光雷達能以較高的頻率掃描一個平面或空間內(nèi)的環(huán)境信息，室內(nèi)導航系統(tǒng)能夠利用這些信息對運動物體進行實時定位。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，采用單線激光雷達來進行掃描，使微處理器縮短數(shù)據(jù)處理時間。用于室外的激光雷達探測距離遠，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在成本方面要適當降低。工廠倉儲車間的面積一般不會很大，面積以1000m2左右的居多，從成本和實用角度出發(fā)在室內(nèi)導航系統(tǒng)設計時采用探測半徑最大為15m的激光雷達。該激光雷達掃描頻率2000點/s、每秒掃描2周，即0.5s掃描一個平面的數(shù)據(jù)為1000個。激光雷達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中心的距離。3.3環(huán)境地圖擬合激光雷達掃描周圍環(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)進行差補等擬合算法的處理，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，這是實現(xiàn)室內(nèi)導航的基礎。激光雷達所采集的一組環(huán)境數(shù)據(jù)點集由許多點構(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)點集當中存在許多的無用信息。這些負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)獲取到的點云數(shù)據(jù)，需要進行直線提取的處理，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)地圖中的特征點和貨運小車的目的地規(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小車載貨后通行方便。綜合以上因素考慮，在設計行駛路線時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）進行設計，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。貨運小車的實際運動軌跡與理論上存在一定的差距，需要根據(jù)實際情況不斷地修正，例如運動方向、運動速度、載貨后的質(zhì)量等，所以設計出的行進路線不能僅僅是一條線，而是以行進路線為中心線的行駛區(qū)域。3.5地磁傳感器運動角度測量地磁傳感器是采用法拉第電磁感應定律，利用被測物體在地磁場中的運動狀態(tài)不同，通過感應地磁場的分布變化而指示被測物體的姿勢和運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，在導航特別是盲區(qū)導航中有很重要的作用，在室內(nèi)導航系統(tǒng)中使用地磁傳感器來測量車輛的行駛角度，為車輛導航提供信息。在室內(nèi)導航系統(tǒng)中使用RFID電子標簽作為地標，地標中包含重要的位置信息，可能與貨運小車的前進方向相關，也可能是指示最終目的地的信息。RFID（無線射頻識別技術）是一種非接觸式的信息自動獲取技術，利用無線電信號空間耦合原理自動獲取電子標簽的信息，操作快捷方便，適合各種惡劣環(huán)境下的信息采集。室內(nèi)導航系統(tǒng)中的RFID電子地標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，由于閱讀器的掃描范圍有限（約為0.3m），所以當掃描到目的地的地標時就可以認為已經(jīng)到達了目的地。RFID電子地標的作用是輔助激光雷達進行室內(nèi)導航的工作。激光雷達數(shù)據(jù)獲取與處理部分是導航系統(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的32位微處理器為硬件核心，保證系統(tǒng)良好地運行。4結(jié)語室內(nèi)導航技術相對于室外以衛(wèi)星定位為基礎導航技術還不是很成熟，各種原理的導航方法仍然在研究當中，對比目前正在研究或使用中的導航方法，以激光雷達為核心的導航方法是將在室外定位導航中成熟應用的激光雷達導航方法移植到室內(nèi)，該系統(tǒng)可以針對不同的應用進行適當?shù)卣{(diào)整和修改，滿足不同環(huán)境下導航的需求，有很好示范作用。參考文獻：任春明，張建勛.基于激光傳感器的機器人地圖構(gòu)建方