基于3D激光雷達(dá)在警用巡邏機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用

李洺銳，黃昱誠(chéng)

（吉林大學(xué)，吉林長(zhǎng)春，130000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大型客流，如超市，機(jī)場(chǎng)，車站，會(huì)展中心和物流倉(cāng)庫(kù)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，數(shù)量不斷增加，大中型城市的高水平、高檔次商業(yè)優(yōu)勢(shì)不斷增強(qiáng)，安全自動(dòng)化的需求越來(lái)越迫切。巡邏機(jī)器人是一個(gè)多功能集成系統(tǒng)，它可以感知環(huán)境，進(jìn)行規(guī)劃路線，做出動(dòng)態(tài)決策，進(jìn)行行為控制并伴隨報(bào)警裝置。為了保證場(chǎng)所的安全，可以利用機(jī)器人對(duì)場(chǎng)所進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)視或不間斷地巡邏監(jiān)視。 目前，巡邏機(jī)器人在安全工作中發(fā)揮的作用越來(lái)越重要，對(duì)它的研究也越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注。 它已成為服務(wù)機(jī)器人的一個(gè)新的研究方向。警用巡邏機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展日新月異，各類警警用巡邏機(jī)器人廣泛應(yīng)用于安全，消防，拆除，偵察，反恐等領(lǐng)域，對(duì)維護(hù)國(guó)家公共安全具有重要意義。

1 激光雷達(dá)簡(jiǎn)介

激光雷達(dá)是感受外界環(huán)境的傳感器，傳感器指的是可以根據(jù)某些規(guī)律變換待測(cè)量信息然后輸出的檢測(cè)裝置。 它是感受外部環(huán)境的重要硬件。 它主要分為視覺(jué)，位置感，速度感，力感，觸覺(jué)感，例如高速攝像頭等[1]。視覺(jué)輸入系統(tǒng)，如攝像頭和3D激光雷達(dá)，激光掃描儀等環(huán)境視覺(jué)輸入系統(tǒng)。在智能設(shè)備中，傳感器相當(dāng)于諸如無(wú)人駕駛汽車或機(jī)器人等設(shè)備的感覺(jué)器官，作為除手動(dòng)設(shè)置參數(shù)之外的唯一自主輸入。 它決定了設(shè)備與外部環(huán)境之間的交互能力以及設(shè)備信息輸入的準(zhǔn)確性和豐富性。

激光雷達(dá)是一種基于非接觸式激光測(cè)距技術(shù)的掃描傳感器。它可以通過(guò)發(fā)射激光束來(lái)檢測(cè)目標(biāo)，從而獲得準(zhǔn)確的三維圖像。它可以實(shí)時(shí)獲得局部環(huán)境的高精度輪廓信息，測(cè)距精度可達(dá)到厘米級(jí)，具有精度高，速度快，效率高的優(yōu)點(diǎn)，是導(dǎo)航，測(cè)繪等領(lǐng)域不可或缺的一部分。

表1 各種激光雷達(dá)功能及應(yīng)用場(chǎng)景

激光雷達(dá)主要分為一維激光雷達(dá)、二維激光雷達(dá)和三維激光雷達(dá)，不同的激光雷達(dá)所應(yīng)用的環(huán)境有所不同（見(jiàn)表1）。目前，隨著人工智能的迅猛發(fā)展，三維激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越突出，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。

2 3D激光雷達(dá)工作原理

激光雷達(dá)通過(guò)發(fā)射反射周圍物體并返回傳感器的激光脈沖來(lái)確定其周圍的幾何位置。它會(huì)計(jì)算脈沖到達(dá)物體、反射和返回到傳感器所需的時(shí)間，并利用這段時(shí)間來(lái)計(jì)算物體所處的距離。掃描器通過(guò)旋轉(zhuǎn)發(fā)射器(或一組發(fā)射器)來(lái)構(gòu)建一個(gè)完整的點(diǎn)云，這樣脈沖就會(huì)向多個(gè)方向發(fā)送。不同的激光雷達(dá)掃描器在許多方面各有不同，從它們的精度、它們可以掃描的面積或體積、收集了多少信息，以及在此基礎(chǔ)上，它們必須如何安裝才能對(duì)特定的應(yīng)用程序有用。另一個(gè)考慮因素是有哪些軟件工具可以與硬件接口和收集數(shù)據(jù)，以便以一種有用的方式呈現(xiàn)或處理數(shù)據(jù)。

3D激光導(dǎo)航的核心部件包括3D激光雷達(dá)，陀螺儀和編碼器，其核心技術(shù)主要是地圖等比構(gòu)造和激光數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匹配定位。它首先進(jìn)行信息融合從而求解位置，然后通過(guò)激光測(cè)距計(jì)算機(jī)器人的全局位置坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)無(wú)軌導(dǎo)航[2]。

當(dāng)機(jī)器人首次進(jìn)入巡邏場(chǎng)所時(shí)，會(huì)利用3D激光雷達(dá)掃描周圍環(huán)境，并通過(guò)同步地圖構(gòu)造和定位算法生成環(huán)境地圖。在執(zhí)行巡檢任務(wù)中，精確匹配3D激光實(shí)時(shí)掃描地形和環(huán)境地形，以計(jì)算全球的位置信息，如圖1。在一些特殊情況下，3D激光雷達(dá)掃描的地形特征很容易受到干擾，例如，在地形特征稀疏的一些室外環(huán)境中。為了保證導(dǎo)航的準(zhǔn)確性和可靠性，警用巡邏機(jī)器人采用慣性導(dǎo)航技術(shù)來(lái)修改3D激光雷達(dá)所匹配的地形，從而達(dá)到對(duì)全局環(huán)境的了解。通過(guò)測(cè)量其加速度和角速度以及單元融合編碼器的反饋信息，生成精確的軌跡遞歸運(yùn)動(dòng)模型，最后輸出機(jī)器人的速度和位置信息。為了保證機(jī)器人導(dǎo)航的可靠性，復(fù)雜。為了保證機(jī)器人導(dǎo)航的可靠性，避免3D激光受到干擾，導(dǎo)航系統(tǒng)引入了冗余傳感器數(shù)據(jù)交叉診斷技術(shù)來(lái)隔離干擾信號(hào)。三維激光導(dǎo)航的算法流程如下：讀取三維點(diǎn)云圖，慣性和里程數(shù)據(jù);光柵化，降噪和雜質(zhì)處理；計(jì)算初始圖像位置；計(jì)算機(jī)器人姿勢(shì)推測(cè)；計(jì)算機(jī)器人姿態(tài)觀測(cè)值；計(jì)算機(jī)器人的最佳位置和方向。

3 3D激光雷達(dá)在警用巡邏機(jī)器人導(dǎo)航中的優(yōu)勢(shì)

三維激光導(dǎo)航技術(shù)對(duì)外部環(huán)境的依賴性比較小，對(duì)定位有較高的精度，可以測(cè)量較長(zhǎng)的距離，能處理大量的環(huán)境信息。當(dāng)機(jī)器人的周圍環(huán)境變化不大的時(shí)候，它可以比較穩(wěn)定，對(duì)全局信息的影響很小，從而減少了對(duì)環(huán)境中固定參考的依賴。 3D激光導(dǎo)航的主要優(yōu)點(diǎn)是：高信噪比（SNR）：點(diǎn)云信息量是具有相同分辨率的2D激光器的16倍。 位置和姿勢(shì)信息：對(duì)于惡劣的路況，可以獲得統(tǒng)一坐標(biāo)系下的點(diǎn)云圖，并輸出準(zhǔn)確的位置信息; 定位精度高：大多數(shù)情況下，位置精度可達(dá)±2 cm，角度精度達(dá)到±1°，可避免障礙物避免：可以檢測(cè)前方立體區(qū)域，完全避免障礙物 并且可以防止跌落[3]。

4 巡邏機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和安全監(jiān)控功能是巡邏機(jī)器人的重要組成部分呢。移動(dòng)系統(tǒng)，傳感器，控制器，報(bào)警器和通信設(shè)備是其一般的組成部分。移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以做成步行形式、輪式、履帶式和混合式，它是巡邏機(jī)器人的主體，決定了巡邏機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間和活動(dòng)能力。傳感系統(tǒng)一般采用ccD攝像頭傳感系統(tǒng)，超聲波測(cè)距儀，激光測(cè)距儀，觸摸和接近傳感器，紅外傳感器等。近年來(lái)，由于通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，人工智能技術(shù)和傳感技術(shù)發(fā)展飛快，對(duì)巡邏機(jī)器人的研發(fā)也進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)期，迎來(lái)了比較美好的發(fā)展前景。巡邏機(jī)器人的工作環(huán)境往往是不確定和隨時(shí)間變化的，所以必須考慮其安全性，可靠性和抗干擾性。因此，多傳感器信息融合技術(shù)被用于檢測(cè)環(huán)境，以增加信息的互補(bǔ)性和容錯(cuò)性。目前關(guān)鍵技術(shù)有多傳感器信息融合技術(shù)，導(dǎo)航技術(shù)，智能控制等。下面對(duì)導(dǎo)航技術(shù)做具體的闡述。

巡邏機(jī)器人的導(dǎo)航是根據(jù)預(yù)先給出的安全任務(wù)，根據(jù)已知的地圖信息進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，并持續(xù)感知本地工作環(huán)境信息，并在旅行過(guò)程中自行做出各種決策。隨時(shí)調(diào)整姿勢(shì)和姿勢(shì)，避開(kāi)障礙物，引導(dǎo)自己安全駕駛。同時(shí)，完成定時(shí)，定點(diǎn)或循環(huán)巡檢的安全工作。機(jī)器人的工作環(huán)境可分為靜態(tài)環(huán)境，動(dòng)態(tài)已知環(huán)境和動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境。路徑規(guī)劃的研究?jī)?nèi)容可以根據(jù)機(jī)器人獲取環(huán)境信息的不同方式分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃。根據(jù)機(jī)器人了解環(huán)境信息的程度，可以將其分為全局路徑規(guī)劃和完全未知或部分未知的環(huán)境信息?？梢酝ㄟ^(guò)傳感器在線檢測(cè)機(jī)器人的工作環(huán)境。用于獲取有關(guān)障礙物的位置，形狀和大小的信息的本地路徑規(guī)劃。隨著應(yīng)用場(chǎng)景數(shù)量的增加和適用環(huán)境日益復(fù)雜，警用巡邏機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)要求越來(lái)越高?，F(xiàn)有的導(dǎo)航方法主要包括磁條，激光，GPS等，這些方法對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和穩(wěn)定性存在明顯的缺陷。 3D激光導(dǎo)航技術(shù)可以有效彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，它較少依賴于固定參考對(duì)象，并且對(duì)周圍環(huán)境中的微小變化不敏感。因此，3D激光導(dǎo)航技術(shù)可以提高機(jī)器人環(huán)境的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵是解決自定位，目標(biāo)規(guī)劃和導(dǎo)航規(guī)劃。警用巡邏機(jī)器人的地圖創(chuàng)建和定位是其導(dǎo)航研究的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)“自治”的重要保證。全局路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃是警用巡邏機(jī)器人導(dǎo)航中最重要的任務(wù)之一。警用巡邏機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)的主要要求是在環(huán)境地圖中找到一條路徑。確保警察巡邏機(jī)器人沿路徑移動(dòng)時(shí)不會(huì)與外界發(fā)生碰撞;它可以處理傳感器感知環(huán)境模型中的不確定因素和路徑執(zhí)行中的誤差，并通過(guò)使警察巡邏機(jī)器人避開(kāi)外部物體來(lái)最小化對(duì)機(jī)器人傳感器的感測(cè)范圍的影響?？梢愿鶕?jù)需要找到最佳路徑。常見(jiàn)的路徑尋找算法包括兩類：基于靜態(tài)數(shù)據(jù)的路由算法和基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的路由算法[4]。靜態(tài)數(shù)據(jù)路由算法是一種在歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在地圖網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不變的情況下，計(jì)算最優(yōu)路徑的方法。靜態(tài)數(shù)據(jù)路由算法很簡(jiǎn)單，但需要一次計(jì)算才能得到最優(yōu)路徑。然而，該算法缺乏實(shí)時(shí)信息收集和反饋，因此不適合在復(fù)雜多變的環(huán)境中應(yīng)用。

5 3D激光雷達(dá)在警用巡邏機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用

在重大節(jié)日期間，都會(huì)有警察巡邏機(jī)器人在人群密集及重要場(chǎng)所進(jìn)行值班巡邏。起初普遍使用2D激光導(dǎo)航技術(shù)，但是由于2D激光導(dǎo)航技術(shù)對(duì)環(huán)境依賴性大，而這些場(chǎng)所一般面積較大，標(biāo)記少，人員密集，所以導(dǎo)航效果差，經(jīng)常出現(xiàn)失去問(wèn)題的立場(chǎng)。3D激光導(dǎo)航技術(shù)主要用于解決這個(gè)問(wèn)題，它借助垂直尺寸信息，大大提高了導(dǎo)航的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 3D點(diǎn)云用于構(gòu)建場(chǎng)景環(huán)境的地圖，它所導(dǎo)航呈現(xiàn)的地面，圍欄，安全棚，人群和樹(shù)木都清晰可見(jiàn)。機(jī)器人使用這些豐富的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定位其在環(huán)境中的位置，從而可以獲得有關(guān)周圍環(huán)境的更多信息。當(dāng)警察巡邏機(jī)器人的周圍環(huán)境略有變化時(shí)，對(duì)整體情況的影響顯著減小，從而減少了對(duì)環(huán)境中固定參考的依賴。減少了周圍環(huán)境變化引起的定位誤差，大大提高了導(dǎo)航的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著高新技術(shù)的發(fā)展和功能與性能的完善，警用巡邏機(jī)器人的智能水平將進(jìn)一步提高。 警察安全巡邏機(jī)器人的快速發(fā)展與國(guó)家政策的大力支持，有關(guān)部門的共同努力以及技術(shù)人員的努力密切相關(guān)。 在各方的支持和努力下，傳統(tǒng)安全技術(shù)的枷鎖將被打破，安防行業(yè)將從傳統(tǒng)的安全體系向基于現(xiàn)代服務(wù)的智能安防體系過(guò)渡，將智能安全推向新的高度。