一種基于激光雷達(dá)的機(jī)器人自主充電方法

劉甲賓

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

2015年國務(wù)院頒布《中國制造2025》，將機(jī)器人和先進(jìn)軌道交通裝備均列為我國智能制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的10大重點(diǎn)領(lǐng)域[1]。2020年8月中國國家鐵路集團(tuán)有限公司出臺《新時代交通強(qiáng)國鐵路先行規(guī)劃綱要》，綱要明確，到2035年，全國鐵路網(wǎng)運(yùn)營里程達(dá)到20萬km左右，其中高鐵7萬km左右[2]。

隨著我國鐵路里程數(shù)的不斷增長、列車運(yùn)行速度的不斷提高[3-4],以及信號技術(shù)的不斷進(jìn)步,無人值守車站和中繼站的數(shù)量隨之大量增加?，F(xiàn)有信號集中監(jiān)測設(shè)備偏重于設(shè)備技術(shù)參數(shù)的采集和分析,缺少現(xiàn)場實(shí)時、準(zhǔn)確的監(jiān)測巡視手段[5],依靠人工監(jiān)測會造成明顯的成本增高、且巡視維護(hù)困難、時效性差。大量利用可靠和安全的智能化移動機(jī)器人代替人工巡檢將成為趨勢[6]。

移動機(jī)器人由自身攜帶的電池供電，在電池電量不足時，需要連接電源充電。因此，自主充電是移動機(jī)器人的必備技術(shù)。

激光導(dǎo)航定位是當(dāng)前移動機(jī)器人導(dǎo)航定位的重要方式。但激光導(dǎo)航定位技術(shù)的定位精確度無法確保充電成功。當(dāng)前移動機(jī)器人自主充電技術(shù)主要由裝置或軌道導(dǎo)入、紅外陣列引導(dǎo)和激光掃描環(huán)境特征[8-10]等。這些技術(shù)需要額外部件、技術(shù)支持，或需要測繪周圍環(huán)境參數(shù)支持。

本文介紹一種帶特征結(jié)構(gòu)的充電裝置和基于特征數(shù)據(jù)鎖定該裝置的方法，使用該裝置和鎖定方法可以協(xié)助移動機(jī)器人完成自主充電。

1 結(jié)構(gòu)與位姿

1.1 結(jié)構(gòu)

1.1.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)

機(jī)器人上安裝激光雷達(dá)、儲能電池系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、無線通信設(shè)備和無線充電器受電端，如圖1所示。

圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)Fig.1 Robot structure

激光雷達(dá)為單線雷達(dá)，水平安裝。激光雷達(dá)周期性掃描周邊一個平面，從起始角到終止角，以角分辨率遞增掃描，每周期返回一幀數(shù)據(jù)。每幀數(shù)據(jù)包含平面內(nèi)每個被掃描點(diǎn)的距離值，該距離值為障礙物到雷達(dá)中心的距離。每幀數(shù)據(jù)中距離值的順序與掃描順序相同，因此可以根據(jù)點(diǎn)序號確定這條激光線束的角度。點(diǎn)序號確定的角度是以激光中心軸為原點(diǎn)、以初始掃描位置為0°的極坐標(biāo)系中的角度。

儲能電池系統(tǒng)包括儲能電池和狀態(tài)反饋模塊，狀態(tài)反饋模塊的反饋信息包括剩余電量和充放電狀態(tài)。

運(yùn)動控制系統(tǒng)用于調(diào)整機(jī)器人的位姿，調(diào)整包括左右旋轉(zhuǎn)和前后移動。

無線通信設(shè)備用于與充電裝置通信。

無線充電器受電端用于接收充電裝置輸電端的電能輸入，是機(jī)器人充電功能的輸入接口，如圖1所示。為達(dá)到高效充電目的，無線充電機(jī)受電端和輸電端的錯位應(yīng)不大于2 cm，距離不大于1 cm。

1.1.2 充電裝置結(jié)構(gòu)

充電裝置包括充電樁和充電控制設(shè)備。充電樁包括無線充電器輸電端、特征結(jié)構(gòu)和電源轉(zhuǎn)換模塊；充電控制設(shè)備包括控制模塊和無線通信模塊，如圖2所示。

圖2 充電裝置Fig.2 Charging device

無線充電器輸電端用于向機(jī)器人的無線充電器受電端輸出電能，是充電樁充電功能的輸出接口。

特征結(jié)構(gòu)采用橫向長條形平面，中部設(shè)置兩個凸起作為特征標(biāo)記。特征結(jié)構(gòu)水平安裝，表面采用光滑處理，顏色宜采用淺色。

電源轉(zhuǎn)換模塊用于將工頻AC220 V轉(zhuǎn)換為機(jī)器人儲能電池充電所需的DC48 V，且保證輸出功率。

控制模塊用于監(jiān)控充電功能的開啟和關(guān)閉。

無線通信設(shè)備用于與機(jī)器人通信。

1.1.3 機(jī)器人結(jié)構(gòu)與充電樁結(jié)構(gòu)的關(guān)系

機(jī)器人受電端安裝在機(jī)器人正前方，與充電樁輸電端同高。

激光雷達(dá)安裝在機(jī)器人正前上方，掃描平面與充電裝置特征結(jié)構(gòu)橫向中線同高。

1.2 位姿表示

機(jī)器人坐標(biāo)系采用右手坐標(biāo)系，如圖3所示。正面是x軸的正方向，左邊是y軸的正方向，上方是z軸的正方向。

圖3 機(jī)器人位姿坐標(biāo)系Fig.3 Coordinate system of the pose of the robot

在充電裝置輸電端正前方距離D處設(shè)置充電原點(diǎn)，設(shè)機(jī)器人正常充電的位姿為（x0，y0，θ0），則在充電原點(diǎn)調(diào)整的目標(biāo)位姿為（x0-D，y0，θ0）。

2 自主充電方法與偏差計(jì)算

2.1 自主充電方法

機(jī)器人通過儲能電池狀態(tài)反饋模塊檢測電池剩余電量；當(dāng)檢測到電池剩余電量低于返航充電閾值時，機(jī)器人中斷當(dāng)前任務(wù)，記錄中斷點(diǎn)，返回充電原點(diǎn)。

機(jī)器人到達(dá)充電原點(diǎn)后，切換到充電位姿調(diào)整模式。該模式下，機(jī)器人首先根據(jù)特征結(jié)構(gòu)鎖定充電裝置，計(jì)算位姿偏差，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整機(jī)器人位姿。位姿調(diào)整完成后，控制機(jī)器人前進(jìn)距離D，然后發(fā)送充電請求，并根據(jù)反饋信息判斷是否滿足充電條件：若不滿足充電條件，則控制機(jī)器人后退固定距離D，重復(fù)充電原點(diǎn)位姿調(diào)整；若滿足充電條件，則等待充電完成。

充電完成后機(jī)器人發(fā)送停止充電請求，后退距離D到充電原點(diǎn)。然后切換到自動任務(wù)模式，返回中斷點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行未完成任務(wù)。

2.2 偏差計(jì)算

激光雷達(dá)與特征結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系如圖4所示。B為激光雷達(dá)，DE為特征結(jié)構(gòu)，A為特征1、C為特征2。激光雷達(dá)掃描到的特征1距離為BA(c)，光束序號I1;特征2距離BC(a)，光束序號I2；激光雷達(dá)角分辨率為f，BF為機(jī)器人正前方光束，序號I3。

圖4 幾何關(guān)系Fig.4 Geometric diagram of laser beams and the feature structure

2.2.1 鎖定充電裝置

根據(jù)特征數(shù)據(jù)識別特征1和特征2，計(jì)算兩個特征之間的距離b。

聯(lián)合公式（1）、（2）可得：

計(jì)算所得長度b與實(shí)際兩特征距離X1對比，在閾值范圍內(nèi)，即X1-E2＜b＜X1+E2（其中E2是誤差閾值），則鎖定無線充電裝置位置成功。

2.2.2 位姿偏差計(jì)算

根據(jù)掃描數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)器人當(dāng)前位姿與充電原點(diǎn)的目標(biāo)位姿（x0-D，y0，θ0）的偏差Δx、Δy、Δθ。其中，Δx為x方向偏差， Δy為y方向偏差，Δθ為姿態(tài)角偏差。

1）計(jì)算Δθ

根據(jù)雷達(dá)B到已知線段兩端AC距離，計(jì)算雷達(dá)B與線段AC所在直線的垂線BO的線束序號，確定機(jī)器人姿態(tài)角偏差 。

2）計(jì)算Δx

根據(jù)激光雷達(dá)與特征機(jī)構(gòu)平面的垂直距離計(jì)算Δx=h-D。

3)計(jì)算Δy

激光雷達(dá)中心與特征機(jī)構(gòu)平面兩個特征的中垂線的距離，即Δy：

其中，ΔABO=(I1-i)×f，ΔCBO=(I2-i)×f，i為計(jì)算所得垂直于線段AC所在直線的線束BO的序號，即∠ABO（-90°～90°），∠CBO （-90°～90°）。

3 效果驗(yàn)證

3.1 數(shù)據(jù)處理

為獲取穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，機(jī)器人在靜止?fàn)顟B(tài)收集激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，且采用中值平均濾波處理。結(jié)果如圖5所示。

圖5 特征掃描數(shù)據(jù)Fig.5 Scanned feature data

首先從數(shù)據(jù)中提取直線段，以每一段直線為一個處理單元。然后經(jīng)過微分，特征累計(jì)放大，最后采用與順序數(shù)據(jù)中值濾波差值的方法處理數(shù)據(jù)，有效直線段處理結(jié)果如圖6所示。根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，可迅速鎖定特征結(jié)構(gòu)并計(jì)算偏差。

圖6 數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.6 Data processing results

3.2 充電測試

特征結(jié)構(gòu)長度X取值100 cm，兩個特征距離X1取值20 cm，特征寬度3 cm，高10 cm，進(jìn)行測試。測試結(jié)果顯示，取D為150 cm，特征距離偏差閾值E1（-2 cm～2 cm），角度偏差Δθ閾值E2（-0.2°～0.2°），Δx閾值E3（-0.5 cm～0.5 cm），Δy閾值E4（-0.5 cm～0.5 cm）。

經(jīng)過測試，在Δθ（-25°～25°）， Δx（-20 cm～20 cm），Δy（-20 cm～20 cm）范圍內(nèi)可確保完成充電。

4 結(jié)束語

隨著國內(nèi)鐵路無人值守車站和中繼站數(shù)量的大量增加，設(shè)置在車站和中繼站的控制列車運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備數(shù)量將更龐大。依靠人工巡檢需要眾多高水平的專業(yè)技術(shù)維護(hù)人員，成本較高、維護(hù)困難且時效性差。利用先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人值守站信號室在線安全巡檢系統(tǒng),節(jié)省人工的同時利于提高現(xiàn)場安全維護(hù)水平、降低事故率,對鐵路行業(yè)智慧化、智能化的健康發(fā)展具有重要意義[13]。本文介紹的特征裝置和計(jì)算方法，已經(jīng)在信號室內(nèi)巡檢機(jī)器人上試用。試用結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法可確保機(jī)器人準(zhǔn)確定位充電裝置，并完成自主充電。