基于SLAM理論的全向移動機器人的設計

高譽 熊夢彪 高波 花江雨 匡杜坤

摘 要：本設計基于SLAM理論研究室內機器人的全向動圖及其動態建圖。機器人使用激光雷達檢測環境，自主繪制未知環境地圖，并在自主導航行駛路線時避開障礙物。同時為了應對復雜環境下機器人移動全向運動的問題，設計麥克納姆輪模型實現機器人在平面內做出任意方向平移同時自轉的動作。并且在自主導航運動時可以在上位機軟件控制其遠程回傳視頻圖像。現在的餐飲業，快遞業甚至是比較大的制造工廠等都已經使用移動機器人協助工作，尤其是其自主導航技術發揮了重要作用。

關鍵詞：SLAM理論;全向運動;上位機;視頻圖像

1956年，喬治·德沃爾發明創造了世界上第一臺電子可編程的機器人，并且于1961年發表了該項專利[1]。在機器人發展萌芽時期，第一家制造工廠Unimation研制出了第一臺工業機器人，逐漸進入實用階段。往后隨著各種技術的迭代升級和迅速發展，機器人技術應用于各行各業，范圍廣泛，服務型機器人日趨成熟。移動機器人的導航技術是對周圍的動態環境做一個世界模型，在這個過程中，要對物理世界建模，路徑規劃，避障移動等。世界模型可以對應地圖構建，對所處位置定位后規劃出最優的路徑，自行繞開障礙物，到達指定目的地。這個技術在當前社會各行業的需求條件下，一直受到廣泛關注，也處于研究前沿。

1系統設計

本設計主要是采取麥克納姆輪作為運動模塊，通過建立數學模型可以實現機器人在平面上360度無死角的全向運動。同時采用激光雷達檢測環境，機器人自主構建未知環境的地圖，自主導航行駛路線時躲避障礙物，順利通行。最后再將機器人所經過的地方進行一個動態建圖，實景圖像以及所建的地圖都將顯示在上位機上。

2 硬件系統設計

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，Eben？Upton/埃·厄普頓為項目帶頭人[2]。一個最初用于教育的工具逐漸應用于生活的各方面。一個僅比信用卡稍大的主板就可以聚合所有部件，相當于一個微型計算機，輸入輸出引腳是它和傳統計算機的區別所在，可以連接外部組件和傳感器。主板可以連接任意的標準鍵盤、鼠標和網線。同時電視機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還內置藍牙和wifi，可以進入無線模式。完全適合用于進行激光雷達地圖建模，滿足本設計的選用要求。

2.2 機器人移動模塊設計

在本設計中為了實現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有許多位于機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輪轉向力轉化到一個機輪法向力上面[3]。當車輪繞著定輪主軸旋轉時，每個小滾子的包絡面都是一個圓柱面，因此車輪可以連續向前滾動。相對于全向輪，麥克納姆輪應用逐漸廣泛，尤其在各種賽事上的機器人，其酷炫的外形都是導致作為首選原因。

將4個新型輪子組合安裝在移動機器人上，全向移動的基本特點就實現了。基于麥克納姆技術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境下移動和作業需要這種技術的支持。全方位叉車和全方位運輸平臺的制造解決了艦船條件下的有限空間問題。給艦船業帶來的極大的便利不管是在成本還是效益上都有所體現。麥克納姆輪的實物圖如下所示：

3 軟件系統整體設計

3.1激光雷達測距

激光雷達原理與雷達原理相似，激光雷達使用的技術是飛行時間（TOF，Time of Flight）[4]。激光發射器發射激光后，經物體反射后被接收。使用光速測距，計時器計時。距離就是通過激光信號的時間差和相位差決定，角度通過水平旋轉掃描，建立二維極坐標系，這兩個參數再加上俯仰角度可以構建三維的有效信息。高頻激光在一秒內可獲取大量的位置點信息，也就是點云，根據這些信息繪制三維環境地圖。激光雷達常應用于自動駕駛汽車等領域。而事實上，激光雷達作為“機械之眼”，也大量應用在無人機、機器人等等方向上。激光雷達測距示意圖如下圖所示：

激光雷達還具備獨特的優點，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、能獲得目標的多種圖像、抗干擾能力強、比微波雷達的體積和重量小等[5]。不僅可以精確測量目標距離和角度，還可以準確掌握運動狀態，在探測識別目標的同時能夠跟蹤目標。

3.2路徑規劃技術

路徑規劃是計算出滿足機器人運動學約束的最佳無碰撞軌跡。然而，周圍環境的地圖可能存在不準確或不完整的問題。如果機器人盲目地沿著這樣一條路徑移動，仍然會有無法及時躲避障礙物的問題。路徑規劃分為兩種，全局路徑規劃是在地圖繪制的基礎上，根據地圖來選擇到達目的地的最佳路徑。而局部規劃是基于傳感器數據信息，主要進行精準的避障和當前路段的規劃，控制機器人沿著基于地圖的全局路徑行駛。

移動機器人路徑規劃技術概括為以下4類：模版匹配路徑規劃技術、人工勢場路徑規劃技術、地圖構建路徑規劃技術和人工智能路徑規劃技術。

4結語

此次設計的機器人系統由樹莓派作為主控，和一些外部電路構成。本設計是一個硬件實物模型，重點研究和分析了以下問題：機器人可實現在未知環境下自主建立二維地圖模型，并實現自主導航、自主避障、實時視頻圖像傳輸等功能;通過上位機軟件可遠程實時地顯示機器人運行狀態，包括各部件溫度、電量等信息。

參考文獻：

[1]李想. 基于SLAM的室內移動機器人導航技術研究[D].

[2] 何江. 基于樹莓派的智能云灌溉系統研究[D].

[3] 葉楊笙. 通用移動機器人調度系統研究與設計[D].

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

[5] 賀應紅. Mie散射激光雷達實驗系統設計與大氣消光系數反演方法研究[D]. 四川大學， 2004.

項目編號：202010742061

由西北民族大學國家級大學生創新創業項目資助

（西北民族大學? 甘肅? 蘭州? 730124）