基于RTK北斗和激光雷达的巡检机器人导航系统研究

㊀２０１８年㊀第６期

仪表技术与传感器

Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ

２０１８㊀Ｎｏ ６㊀

基金项目：上海市 科技创新行动计划 社会发展领域项目（１６ＤＺ１２０５００）；上海市科学技术委员会工程技术研究中心项目（１５ＤＺ２２５１１００）

收稿日期：２０１７－０５－１３

基于ＲＴＫ北斗和激光雷达的巡检机器人导航系统研究

戚尔江，彭道刚，关欣蕾，王立力，梅㊀兰

（上海电力学院自动化工程学院，上海发电过程智能管控工程技术研究中心，上海㊀２０００９０）

㊀㊀摘要：针对传统移动巡检机器人采用磁导轨㊁固定导轨导航等方式的不足，提出采用带惯导的高精度差分北斗系统和激光雷达导航方式，设计出集全局地图与局部地图相结合的移动巡检机器人导航系统㊂全局地图导航方式采用预瞄ＰＩＤ算法㊂局部地图构建采用激光雷达记录障碍物离散数据点，经聚类㊁曲线拟合等步骤还原障碍物边缘信息得到实时局部栅格地图，采用人工势场路径规划避障方式㊂最后实验采集数据并仿真，验证ｃｍ级避障效果㊂

关键词：巡检机器人；路径规划；激光雷达；人工势场；差分北斗；导航

中图分类号：ＴＰ２４９㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０１８）０６－００５８－０６

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＰａｔｒｏｌＲｏｂｏｔＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＲＴＫＢｅｉｄｏｕａｎｄＬａｓｅｒＲａｄａｒ

ＱＩＥｒ⁃ｊｉａｎｇ，ＰＥＮＧＤａｏ⁃ｇａｎｇ，ＧＵＡＮｎＸｉｎ⁃ｌｅｉ，ＷＡＮＧＬｉ⁃ｌｉ，ＭＥＩＬａｎ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ，ＳｈａｎｇｈａｉＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ

ｏｆＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＰｏｗｅｒＰｒｏｃｅｓｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔｗｉｔｈｍａｇｎｅｔｉｃｇｕｉｄｅｗａｙ，ｆｉｘｅｄｇｕｉｄｅｗａｙｎａｖｉｇａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ．Ｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｄｉｆ⁃ｆｅｒｅｎｔｉａｌＢｅｉｄｏｕｓｙｓｔｅｍａｎｄｌａｓｅｒｒａｄａｒｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｉｎｅｒｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｎａｖｉｇａ⁃ｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｎｔｅｇｒａｔｅｓｇｌｏｂａｌｍａｐａｎｄｌｏｃａｌｍａｐｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ．ＴｈｅｇｌｏｂａｌｍａｐｎａｖｉｇａｔｉｏｎｍｏｄｅａｄｏｐｔｅｄｔｈｅｐｒｅｖｉｅｗＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｏｂｓｔａｃｌｅｄｉｓｃｒｅｔｅｄａｔａｐｏｉｎｔｓｒｅｃｏｒｄｅｄｂｙｌａｓｅｒｒａｄａｒｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｂｕｉｌｄｌｏｃａｌｍａｐｂｙｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ，ｃｕｒｖｅｆｉｔｔｉｎｇａｎｄｏｔｈｅｒｓｔｅｐｓｔｏｒｅｓｔｏｒｅｔｈｅｏｂｓｔａｃｌｅｅｄｇｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｏｏｂｔａｉｎｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｌｏｃａｌｇｒｉｄｍａｐ，ｔｈｅａｒｔｉｆｉｃｉａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌｆｉｅｌｄｏｂｓｔａｃｌｅａｖｏｉｄａｎｃｅｐａｔｈｐｌａｎ⁃ｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｐｏｉｎｔｓｗｅｒｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｅｎｔｉｍｅｔｒｅｌｅｖｅｌｏｂｓｔａｃｌｅａｖｏｉｄａｎｃｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔ；ｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇ；ｌａｓｅｒｒａｄａｒ；ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌｆｉｅｌｄ；ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｃｏｍｐａｓｓ；ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ

０㊀引言

移动巡检机器人可以节约大量人力，尤其是可以运用在不适宜人工巡检的危险场合，比如超高压巡检机器人和输油管线巡检机器人㊂发展移动巡检机器人和人工巡检相结合的方式势必是未来发展的一种趋势㊂

传统移动机器人较多采用磁轨道㊁无线射频识别技术ＲＦＩＤ或固定导轨进行定位和导航㊂２０世纪９０年代，日本研发一款有轨巡检机器人，应用于５００ｋＶ变电站㊂２０１４年１月，浙江国自机器人技术有限公司研制的变电站巡检机器人在瑞安变电站投入运行，采

用的是多个声纳和激光测距传感器的导航方式㊂２０１５年常熟理工学院研究的一款校园巡检机器人采用定位㊁导航方式是普通的ＧＰＳ和摄像头相结合的方案［１］㊂２０１６年中信重工开诚智能装备有限公司生产

了一款轨道式巡检机器人，文献中主要介绍了轨道式巡检机器人的轨道硬件组成㊁数据采集系统方案和电源管理方案［２］㊂大多数参考文献并未涉及到系统的构建和巡检路线上遇到突发障碍情况的避障方式㊂而且，虽然各地研发的移动机器人基本上能满足常规巡检需求，但存在环境干扰大㊁抗干扰能力弱㊁定位精度低且机器人灵活性较差等缺点㊂

综合上述优缺点，在对国内外大量文献研究的基础上，提出基于差分北斗定位技术和激光雷达组合导航方式的移动巡检机器人系统，具有定位精度高㊁灵活性强的特点，采用了人工势场路径规划避障算法，

㊀㊀㊀㊀㊀第６期戚尔江等：基于ＲＴＫ北斗和激光雷达的巡检机器人导航系统研究５９㊀㊀

增强了对各种不同环境巡检路线的适应能力㊂

１㊀整体框架设计

移动巡检机器人导航系统由后台管理系统和机器人本体２部分组成，后台管理系统和机器人移动站之间采用无线路由组网通信，通信协议采用ＴＣＰ／ＩＰ协议㊂其整体结构框图如图１所示㊂移动巡检机器人由电源管理模块㊁定位导航系统㊁无线通信模块㊁控制器等主要部分组成㊂其控制部分由２块控制器组成，分别为工控机和ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核系列控制器芯片㊂定位㊁导航传感器由激光雷达［３］㊁解算差分定位设备／捷联式惯导系统（ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｋｉｎｅｍａｔｉｃ／ＳＩＮＳ，ＲＴＫ／ＳＩＮＳ）［４］和超声波模块等组成㊂

图１㊀机器人整体结构框图

工控机负责实时采集ＲＴＫ／ＩＮＳ㊁激光雷达㊁图像㊁热成像仪等数据，通过ＴＣＰ／ＩＰ协议将刀闸㊁仪表等相关设备信息和机器人实时运行状态等信息传输至后台，供相关人员进行监控㊂ＳＴＭ３２Ｆ１０３控制器主要用于实现无线遥控解码㊁电机驱动㊁电池管理㊁超声波避障㊁报警指示等功能㊂

２㊀硬件设计

２．１㊀机器人运动系统模型建立

由于较多巡检场合的路面较为平坦和规则，可将ＷＧＳ－８４坐标系［５］巡检机器人定位坐标用高斯变换算法转换至二维平面坐标系［６］，对机器人进行运动模型建立㊂以机器人重心为载体坐标原点，机体纵轴方向为机器人ｙ轴方向，以机器人前进方向右侧为ｘ轴正方向㊂机器人姿态由两侧的车轮独立控制，通过协调两车轮的不同速度，可以实现机器人原地转动㊁沿直线行驶㊁转向或者其他轨迹运动㊂

如图２所示，为差动转向巡检机器人运动物理模型示意图㊂根据几何学原理，容易得到差动转向机器人的运动方程㊂Ｒ表示机器人运动轨迹的瞬时曲率半径，Ｗ表示机器人的宽度，ψ表示两坐标系之间的夹角㊂根据此模型示意图，建立相应的机器人机体运动模型㊂载体坐标系和地理坐标系之间采用旋转矩阵进行转换，将机体运动模型转换成地理坐标系下离散化运动模型［７］㊂具体运动方程推导见参考文献［７］㊂图２㊀差动转向巡检机器人模型示意图

２．２㊀北斗定位设备和激光雷达安装设计

本导航系统的全局地图定位设备采用Ｒ６０系列的双天线定位㊁定向型高精度接收机［８］，静态定位精度达ʃ（２．５＋１ˑ１０－６Ｄ）ｍｍ㊂该定位系统由２部分组成，定点基站和动点移动站㊂设备采用的是载波相位差分技术，基准站将采集到的载波相位发送给移动站，经解算得到精确的差分解㊂基站和移动站之间通信采用大功率电台设备㊂基站安装在空旷的楼顶或其他较高的空旷位置，移动站安装在机器人机载体上对机器人进行实时定位㊁测向和测速㊂测向和定位２个天线之间距离应保证在１ｍ以上才能达到最佳效果㊂

如图３所示，为ＲＴＫ／ＩＮＳ北斗定位设备和激光雷达在机器人机体上安装设计示意图

㊂

图３㊀ＲＴＫ设备和激光雷达安装设计示意图局部路径规划避障系统采用ＤＥ０１激光雷达，测量最远半径距离可达１５ｍ，对于正常巡检路面已能满足局部地图构建需求㊂该雷达通过发射近红外光，遇物体反射，传感器通过对光线发射和接收时间差或相位差进行解算得到机器人与障碍物之间的距离㊂激