室内激光雷达导航系统设计

室内激光雷达导航系统设计

刘凯付云龙刘骏

天津市津典工程勘测有限公司天津300222

摘要：室内导航技术是近些年来兴起的一个热点技术，它在工业生产和日常生活中都有非常重要的用途。激光雷达在室外的定位导航应用中有非常好的表现，地磁传感器在行驶角度测量方面比较成熟，将二者结合并针对室内导航进行设计，将会取得较好的效果。本文分析了室内激光雷达导航系统设计。

关键词：室内激光雷达；导航系统；设计；

1引言

随着激光扫描技术的发展，基于激光扫描系统的室内环境地图构建技术广泛地被运用到机器人的视觉导航中。针对当前研究中所使用的激光扫描仪体积笨重、价格昂贵，不适合小型移动机器人装配的不足，提出一种低成本的激光雷达组成的环境地图构建系统。

2原理

激光雷达是传统雷达与激光技术相结合的产物，是以微波雷达原理为基础，将激光束作为探测信号。激光雷达工作时，首先发射机发射一束特定功率的激光束，经过大气传输辐射到目标表面上，反射的回波由接收装置接收，再对回波信号进行处理，提取有用的信息。通过测量反射和散射回波信号的时间间隔、频率变化、波束所指方向等就可以确定目标的距离、方位和速度等信息。利用激光雷达实现室内导航的原理：首先使用激光雷达对室内的区域进行激光探测，得到周围障碍物距离探测点的相对坐标，然后构建以探测点为中心、以雷达扫描半径为最大区域的环境地图；最后在车辆行驶过程中连续使用激光雷达进行探测，得到以当前位置为中心的环境信息，与地图中的特征点对比后可以确定车辆在地图中所处的位置，从而达到导航的目的。这里将其与智能小车进行组合，不仅价格实惠，而且具有扫描精确、装配轻便的优点。因此非常适合应用到小型机器人视觉导航及环境地图的构建中。

3室内激光雷达导航系统

3.1室内导航系统构建

室内激光导航技术是在分析室内定位和室内导航特点的基础上，将激光雷达技术从室外引入到室内的一种导航方法。由微处理器控制激光发射器向四周发射激光束探测周围环境，同时接收反射回来的激光信号，经过信号分析得知周围的环境信息，据此规划出到达某一地点的行驶路线。在行进过程中使用地磁传感器测量前进的方向，并根据行进过程中得到的环境信息来确定是否在规划的路线上行驶，如果偏离，能及时地做出调整，最终到达目的地。RFID阅读器不断地扫描周围是否有RFID路标，扫描到的路标中包含车辆行驶所需的关键点的位置信息，能辅助小车到达最终的目的地。

3.2激光雷达数据获取

激光雷达能以较高的频率扫描一个平面或空间内的环境信息，室内导航系统能够利用这些信息对运动物体进行实时定位。仓储车间的环境相对简单，物品摆放比较整齐，为了减少数据量和提高数据处理效率，采用单线激光雷达来进行扫描，使微处理器缩短数据处理时间。用于室外的激光雷达探测距离远，性能比较好，但成本很高，室内载物小车上使用的激光雷达在成本方面要适当降低。工厂仓储车间的面积一般不会很大，面积以1000m2左右的居多，从成本和实用角度出发在室内导航系统设计时采用探测半径最大为15m的激光雷达。该激光雷达扫描频率2000点/s、每秒扫描2周，即0.5s扫描一个平面的数据为1000个。激光雷达360°扫描周围的环境，得到周围环境的信息，经过激光束的发送和接收得到障碍物到雷达中心的距离。

3.3环境地图拟合

激光雷达扫描周围环境，得到环境中墙壁、货物等障碍物到激光雷达中心的距离数据，由这些数据组成离散的室内环境轮廓图。要想得到连续的环境信息，还需要对离散的数据进行差补等拟合算法的处理，常用的拟合算法有最小二乘法、最小绝对残差法。最小二乘法是通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。整体的环境信息是将拟合后的局部轮廓连接在一起得到的，这是实现室内导航的基础。激光雷达所采集的一组环境数据点集由许多点构成。通常，由于噪声，光线以及物体表面反射等原因，一组数据点集当中存在许多的无用信息。这些负面信息会直接影响环境地图的创建效果。因此，为了获得更为精确的环境地图，通过激光测距系统获取到的点云数据，需要进行直线提取的处理，为得到精确的环境地图提供前提。将处理后的数据重新输入软件系统即可得到滤噪后的环境地图。

3.4根据环境地图规划行驶路线

得到拟合后的环境地图之后，可以根据地图中的特征点和货运小车的目的地规划出行驶路线。路线的规划不仅要考虑是否走得通，还要考虑是否适合货运小车载货后通行方便。综合以上因素考虑，在设计行驶路线时不能简单地采用距离最短的路径，而是选择靠近形状比较规则的障碍物（例如墙壁、货架等）进行设计，这样小车在行驶过程中的参照物相对固定，路线也比较规则，偏差距离更容易控制，行驶起来就会顺畅。货运小车的实际运动轨迹与理论上存在一定的差距，需要根据实际情况不断地修正，例如运动方向、运动速度、载货后的质量等，所以设计出的行进路线不能仅仅是一条线，而是以行进路线为中心线的行驶区域。

3.5地磁传感器运动角度测量

地磁传感器是采用法拉第电磁感应定律，利用被测物体在地磁场中的运动状态不同，通过感应地磁场的分布变化而指示被测物体的姿势和运动角度等信息的测量装置。地磁传感器能够测出轴方向上的地磁场强度，传感器量测轴与磁场方向之间的角度。利用地磁传感器可以制作电子指南针，在导航特别是盲区导航中有很重要的作用，在室内导航系统中使用地磁传感器来测量车辆的行驶角度，为车辆导航提供信息。在室内导航系统中使用RFID电子标签作为地标，地标中包含重要的位置信息，可能与货运小车的前进方向相关，也可能是指示最终目的地的信息。RFID（无线射频识别技术）是一种非接触式的信息自动获取技术，利用无线电信号空间耦合原理自动获取电子标签的信息，操作快捷方便，适合各种恶劣环境下的信息采集。室内导航系统中的RFID电子地标用来存储货物的仓储位置、车辆指定停放的位置和在某些地点的方向指示等信息。车辆在行驶中使用车载RFID阅读器不断扫描周围的电子地标，由于阅读器的扫描范围有限（约为0.3m），所以当扫描到目的地的地标时就可以认为已经到达了目的地。RFID电子地标的作用是辅助激光雷达进行室内导航的工作。激光雷达数据获取与处理部分是导航系统的核心部分，数据处理的工作量比较大，所以采用处理速度快和处理能力较强的32位微处理器为硬件核心，保证系统良好地运行。

4结语

室内导航技术相对于室外以卫星定位为基础导航技术还不是很成熟，各种原理的导航方法仍然在研究当中，对比目前正在研究或使用中的导航方法，以激光雷达为核心的导航方法是将在室外定位导航中成熟应用的激光雷达导航方法移植到室内，该系统可以针对不同的应用进行适当地调整和修改，满足不同环境下导航的需求，有很好示范作用。

参考文献：

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[2]毛彬彬.基于激光雷达的移动机器人同时定位与地图创建的研究［J］.机械设计与制造，2015（2）：197-199.

[3]李文学，饶运清，戚得众.全向轮机器人路径规划与导航系统设计［J］.机械设计与制造，2014（12）：18-22.