基于激光雷达的移动探测机器人的设计

发布时间：2020-03-18 14:42

【摘要】：随着社会经济的不断发展和科学技术的不断进步,越来越多的任务需要人来完成。这就促使着人们发明了各种可以替代自已完成不同任务的机器人,因此机器人技术获得了突飞猛进的发展。机器人可以代替工作人员完成很多高负荷的工作,大大减轻了工作人员的劳动强度,也可以替代工作人员进入一些危险的场合或是完成一些危险的任务,保障了工作人员的生命安全。在很多对未知领域的探索活动和任务中,需要进入可能有危险的未知场所,比如对矿井的勘测或者对隧道内部的科学研究,对发生爆炸或者火灾的工厂等进行救援活动,等等。在完成这些任务的时候,由于不了解未知场所内部的情况,进去完成任务的人员很有可能面临着生命的危险。这就需要一种移动探测机器人,可以在人们进入未知场所完成任务之前,先进去对未知场所的环境进行探测,并进行路径规划,以全覆盖的方式遍历整个未知环境,获取整个未知场所完整的环境信息。根据机器人探测得到的环境信息,人们可以更好地对任务进行规划,提前做好安全相关的准备和预案,一定程度上避免危害人身安全的事故发生。本课题的设计目标就是设计一种可以进入未知场所内部进行探测的移动机器人,并且能够进行路径规划,以全覆盖的方式遍历整个需要探测的未知环境,将探测到的环境信息发送给外部的监控人员,使得监控人员了解未知场所内部的大致情况。根据设计目标,首先,对移动探测机器人的硬件平台进行了设计,其中包括机器人机械结构的设计和主控电路板的设计与制作。采用激光雷达作为主要的探测手段,对周围环境进行扫描获取数据并进行处理,数据量丰富,数据获取速度快而且精确。还为机器人配备了相关的传感器,用于获取机器人运动的状态信息,并且设计了接口电路将传感器连接在主控电路板上。其次,为移动探测机器人开发了软件,控制机器人实现设计的目标功能。开发的驱动软件保证了外部的传感器和设备能够与主控板进行正常的通讯和对机器人运动状态的获取与控制。在此基础上,开发了应用服务软件,实现了对机器人的运动控制,对环境信息的获取与数据处理,发送数据信息至上位机和接收上位机的指令改变机器人的行为,等等。最后,采用内螺旋覆盖算法并开发了相应软件。移动探测机器人以内螺旋的方式,覆盖所需探测的整个未知场所的内部,对环境信息进行全方位的收集与获取,并且进行路径规划,遍历场所内部的同时,避开障碍,并记录环境地图。基于激光雷达的移动探测机器人的设计和开发完成后,对其设计的功能进行了验证与测试。实验结果表明,该移动探测机器人基本能够完成目标任务,在不是很复杂的环境中,运动轨迹可以基本覆盖整个环境,并记录环境地图,获取环境信息并传输至上位机,同时可以根据上位机的命令调整运动状态。虽然本课题设计的移动探测机器人还存在着一些缺陷,但是基本达到了预期的目的,为今后的实验研究和技术的改进奠定了基础。
【图文】：

外部设备,硬件系统,电源模块,传感器

根据应用场合的需求，即探测可能具有危险的未知场所的内部环境，如矿井逡逑隧道以及发生火灾或者爆炸的工厂等场所，设计了移动探测机器人的硬件系统，逡逑系统结构图如图２－１所示。整个硬件系统包括电源、微控制器、外部设备与传感逡逑器及其接口屯路和电机及其驱动电路等。逡逑逦＾电源镆块逦激光雷达逦接口电路邋一＾邋传感器逡逑Ｉ逦逦Ｉ邋Ｉ邋Ｉ逡逑逦ｒ—邋微控制器逦逦逡逑逦无线传输摸块ｐ电机驱动电路｜￣电机逡逑逦邋逦逦Ｉ逦１逦１逡逑图２－１硬件系统结构图逡逑由于不同的外部设备和传感器对供电的不同需求，设计了专爪的电源模块，逡逑移动探测机器人采用了可充电锂电池，容量大、动力足，并且还专门设计了稳压逡逑电源，满足了外部设备和模块对不同供电电压需求。微控制器是硬件系统的核心，逡逑控制着整个系统的工作和数据的处理，包括电机的运动和外部设备与传感器的工逡逑作，获取外部环境的信息，处理得到的数据，以及控制机器人和上位机的通讯，逡逑等等。外部设备与传感器包括二维激光雷达、Ｚｉｇｂｅｅ无线模块、光电编码器和逡逑ＧＹ９５１电子罗盘，并且为其设计了接口电路，与微控制器进行通讯。激光雷达对逡逑未知场所内部进行扫描获取数据信息，并根据这些数据进行对障碍物的自主避障，逡逑７逡逑

实物,机器人

可以实时获取移动机器人的移动速度。逡逑２．１．２机器人实物图逡逑如图２－２所示，我们设计的移动探测机器人为轮式移动机器人，，两层结构，逡逑上层放置激光雷达扫描周围环境信息，下层放置主控电路板板和传感器，主控板逡逑控制着机器人的运动和传感器对周围信息数据的获取，主控电路板下是锂电池组，逡逑给机器人供电。图２－３所示为我们设计和制作的主控电路板。逡逑三二１１１逡逑图２－２机器人实物图逡逑８逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242;TN958.98

【参考文献】