基于激光雷達定位系統(tǒng)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(yè)學(xué)院，四川 成都611730

1 選題背景

激光探測及測距系統(tǒng)簡稱為激光雷達， 另外也稱Laser Radar 或LADAR 是NASA 于1970 年開始研發(fā)。 近年來隨著激光雷達技術(shù)的逐漸成熟和設(shè)備生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，該技術(shù)也越來越多的應(yīng)用于自動駕駛技術(shù)， 自動機器人等民用行業(yè)。 其中在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)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(yī)護人員感染，有的國家的醫(yī)療機構(gòu)就使用自動機器人實現(xiàn)醫(yī)療人員和患者之間的物質(zhì)運輸。 根據(jù)不同種類的激光雷達的不同特性，其應(yīng)用的行業(yè)也有所不同。依據(jù)激光雷達的線數(shù)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(wù)機器人多采用單線激光雷達，例如餐廳服務(wù)機器人、醫(yī)療機構(gòu)內(nèi)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(yīng)該一個機械旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和增加掃描頻率，并機械旋轉(zhuǎn)速度和掃描頻率匹配來獲取外部信息。 自動駕駛技術(shù)中多采用多線激光雷達。

2 方案設(shè)計

機器人底盤設(shè)計采用O-square 全向輪設(shè)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(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)軸之間呈90°。 輪轂軸與輥子轉(zhuǎn)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(shù)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(fā)射機向周圍周期性的發(fā)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(fā)射機到接收機所經(jīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計思路

2.2.1 根據(jù)實際功能需求確定使用全向輪底盤。 2.2.2 根據(jù)模型設(shè)計出符合功能需求的機器人結(jié)構(gòu)。 2.2.3 使用UG、SW 等工業(yè)設(shè)計軟件設(shè)計出非標零件結(jié)構(gòu)。

2.3 注意事項

2.3.1 非標零件多為碳纖維材質(zhì)。 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(diào)試好工作狀態(tài)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(tài)、擦拭激光鏡頭。

3 理論計算

3.1 外形尺寸設(shè)計

根據(jù)功能需求與提高空間利用率，通過三維設(shè)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(shè)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(shù)值（ N·M）;nb——轉(zhuǎn)速（ r/min）;U——轉(zhuǎn)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(gòu)

采用平行四邊形機構(gòu)，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(wěn)定的三角形，不僅實現(xiàn)減震的功能，還能實現(xiàn)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的用途，動力來自于3508電機，連接萬向節(jié)為全向輪提供動力，可以有效的避免側(cè)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(zhuǎn)掃描

4 設(shè)計總結(jié)

4.1 遇到的問題及解決辦法

模型設(shè)計無從下手。

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

4.2 結(jié)論

研究設(shè)計O-square 雷達機器人的結(jié)構(gòu)， 需要利用UG、CAD技術(shù)進行設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)， 包括減震機械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)。