基于激光雷達定位系統的全自主移動機器人

李鑫磊 潘陽紅 曾明峰 鮮 嶺 李思源（ 成都工業學院，四川 成都611730

1 選題背景

激光探測及測距系統簡稱為激光雷達， 另外也稱Laser Radar 或LADAR 是NASA 于1970 年開始研發。 近年來隨著激光雷達技術的逐漸成熟和設備生產工藝的優化，該技術也越來越多的應用于自動駕駛技術， 自動機器人等民用行業。 其中在醫療設備領域也又逐漸嶄露頭角。 例如，在2019 年的新型冠狀病毒的防疫過程中，為了避免醫護人員感染，有的國家的醫療機構就使用自動機器人實現醫療人員和患者之間的物質運輸。 根據不同種類的激光雷達的不同特性，其應用的行業也有所不同。依據激光雷達的線數能夠分為多線激光雷達和單線激光雷達。對于雷達性能要求不高的服務機器人多采用單線激光雷達，例如餐廳服務機器人、醫療機構內部的“ 物流機器人”等等。 因為是單頻點工作，為了取得周圍360 度的物體位置信息，不得不增加應該一個機械旋轉機構和增加掃描頻率，并機械旋轉速度和掃描頻率匹配來獲取外部信息。 自動駕駛技術中多采用多線激光雷達。

2 方案設計

機器人底盤設計采用O-square 全向輪設計方案，O-square四輪底盤不論在走直線還是走曲線都可以提供強大的向心力，在抵消慣性的同時， 還提供了強勁的扭矩。 保證機器人可以快速啟動與停止。

2.1 裝置的工作原理

2.1.1 全向輪。輪轂和輥子共同組成全向輪的基本結構。輪轂是整個輪子支撐骨架， 安裝在輪轂上的鼓狀物則是輥子。 輪轂軸與輥子轉軸之間呈90°。 輪轂軸與輥子轉軸之間的夾角不同就可以制作出功能各不相同的輪子。 2.1.2 激光雷達。 激光雷達運用自動傳感器快速獲取三維空間點云形式的數字信息。 激光雷達主要使用紅外到紫外之間的光譜段， 首先發射機向周圍周期性的發射激光束，遇到障礙物后，激光束會反射到接收機，把光信號處理成可以讀取的電信號。 測量出激光束從發射機到接收機所經歷的時間、 信號類型和電信號頻率。通過分析得出障礙物距離機器人的距離與角度、機器人的運動速度及方向（ 位姿）。

2.2 結構設計思路

2.2.1 根據實際功能需求確定使用全向輪底盤。 2.2.2 根據模型設計出符合功能需求的機器人結構。 2.2.3 使用UG、SW 等工業設計軟件設計出非標零件結構。

2.3 注意事項

2.3.1 非標零件多為碳纖維材質。 2.3.2 激光雷達是一類對精度要求較高的傳感器，使用運輸中請勿碰撞。 2.3.3 調試好工作狀態的激光雷達，在使用過程中避免位姿的變化。 2.3.4 使用之前檢查供電狀態、擦拭激光鏡頭。

3 理論計算

3.1 外形尺寸設計

根據功能需求與提高空間利用率，通過三維設計，最終確定其外形尺寸為：550mm×550mm×300mm。

3.2 材料選擇

非標住零件的主要材料為碳纖維， 部分零件使用鋁合金ZAlCu5Mn(ZL201）

3.3 底盤設計

3.3.1 電機選型。 假定電機所需要承受的最大阻力為300N。

式中：

P——輸出功率（ KW）；T——修正過的力矩數值（ N·M）;nb——轉速（ r/min）;U——轉動效率;算得直流電機輸入功率，最終選定電機型號：M3508。

3.3.2 全向輪速度

a.輪子的速度

Vtx—— X 軸速度，右為正。 Vty—— Y 軸速度，前為正。

b.輪子軸心位置的速度

c.輥子的速度

3.3.3 減震機構

采用平行四邊形機構，使輪軸軸心于地面平行，確保全向輪擁有最大接觸面積，三根彈簧減震器形成穩定的三角形，不僅實現減震的功能，還能實現穩定結構的用途，動力來自于3508電機，連接萬向節為全向輪提供動力，可以有效的避免側面沖擊帶來的破壞。

3.4 雷達選型

3.4.1 三角測距

q——實測距離;s——激光頭與鏡頭距離;f——焦距;β——夾角;d——實測距離。

3.4.2 旋轉掃描

4 設計總結

4.1 遇到的問題及解決辦法

模型設計無從下手。

解決方法：運用TRIZ 技術沖突解決原理設計三維模型。 需要設計的是O-square 雷達機器人。

4.2 結論

研究設計O-square 雷達機器人的結構， 需要利用UG、CAD技術進行設計， 著重幾下幾個問題討論：4.2.1 激光雷達高精度模型；4.2.2 部分機器人底盤結構的設計關鍵技術， 包括減震機械結構調節。