賢家潔++林陽坡++賴斌++陳如洲

摘 要：本文介紹了激光定位與制導(dǎo)的基本原理，描述了基于激光導(dǎo)航的智能機(jī)器人的工作過程，按照當(dāng)前應(yīng)用廣泛的激光導(dǎo)航機(jī)器人基本功能，提出了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)激光導(dǎo)航機(jī)器人在電力巡檢與診斷領(lǐng)域中的應(yīng)用提出展望性構(gòu)思。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；定位；激光；導(dǎo)航

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

機(jī)器人的廣泛應(yīng)用解放了生產(chǎn)力，同時(shí)又促進(jìn)了人類對(duì)機(jī)器人的研發(fā)重視。機(jī)器人從普通的單一功能逐步發(fā)展到具備模仿人類“大腦”的功能。導(dǎo)航系統(tǒng)則是機(jī)器人“大腦”的一項(xiàng)重要功能，近年來，激光導(dǎo)航機(jī)器人研究成為炙手可熱的重要課題。

一、激光導(dǎo)航機(jī)器人綜述

（一）激光導(dǎo)航機(jī)器人

自主導(dǎo)航技術(shù)是機(jī)器人的核心技術(shù)之一，也是機(jī)器人研究和攻克的重點(diǎn)。激光導(dǎo)航機(jī)器人通常內(nèi)嵌激光雷達(dá)和高分辨率激光掃描儀，探測其周圍環(huán)境并進(jìn)行定位，并通過AICU系統(tǒng)生成3D地圖，從而進(jìn)行路徑規(guī)劃。激光導(dǎo)航機(jī)器人可配備高清攝像機(jī)和紅外熱像儀等檢測裝置，在該導(dǎo)航系統(tǒng)支持下實(shí)行全自主自動(dòng)巡檢、紅外診斷和外觀檢測，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備熱缺陷和外觀問題，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測、傳輸、分析和告警，大大提高巡檢自動(dòng)化水平和檢測的準(zhǔn)確性。

（二）激光導(dǎo)航機(jī)器人構(gòu)成及工作過程

激光導(dǎo)航機(jī)器人的硬件部分由微計(jì)算機(jī)、激光雷達(dá)和激光掃描系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、機(jī)器人本體組成。激光導(dǎo)航機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)工作時(shí)，激光雷達(dá)和激光掃描系統(tǒng)每隔數(shù)10ms旋轉(zhuǎn)一周，發(fā)出經(jīng)過調(diào)制的激光束，收到經(jīng)調(diào)制的反射板的反射光后，經(jīng)過調(diào)解解碼，得到有效的信號(hào)，計(jì)算機(jī)可以及時(shí)讀入當(dāng)時(shí)收到的反射信號(hào)時(shí)激光器的旋轉(zhuǎn)速度及傾斜角，從而描出周邊“地圖”實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。激光導(dǎo)航機(jī)器人構(gòu)成如圖1所示。

二、激光定位導(dǎo)航工作原理

（一）激光定位原理

激光定位是利用旋轉(zhuǎn)激光傳感器檢測路標(biāo)，經(jīng)三角幾何計(jì)算確定位置和方向，并依此進(jìn)行定位的方式，即通過測量已知路標(biāo)與機(jī)器人之間的距離來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位。通常，需要在目標(biāo)環(huán)境中固定位置設(shè)定若干路標(biāo)，建立坐標(biāo)系，以激光傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)中心建立傳感器坐標(biāo)，記錄傳感器每掃描一周所形成的夾角，從而經(jīng)計(jì)算出目標(biāo)所處坐標(biāo)的具體位置。機(jī)器人激光定位系統(tǒng)原理如圖2所示。

（二）導(dǎo)航控制原理

一般而言，機(jī)器人移動(dòng)路徑大多數(shù)為直線，對(duì)于行走路徑中長距離轉(zhuǎn)彎則可簡化為直線路徑代替，因此機(jī)器人導(dǎo)航控制就可歸結(jié)為對(duì)機(jī)器人相對(duì)于當(dāng)前運(yùn)行路徑的位置偏差和航向偏差的控制。在實(shí)際應(yīng)用過程中，正是利用激光定位傳感器解碼并實(shí)時(shí)輸出的高精度位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)當(dāng)前位置及目標(biāo)環(huán)境位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，通過微計(jì)算機(jī)向機(jī)器人控制系統(tǒng)下達(dá)指令信號(hào)，從而控制機(jī)器人左右兩輪速度與方向，使其始著預(yù)先設(shè)定的路徑運(yùn)行。

三、基于激光導(dǎo)航電力巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

激光導(dǎo)航電力巡檢機(jī)器人主要由微計(jì)算機(jī)、智能控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、傳感與導(dǎo)航系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)等組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要為滿足驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體之需要；無線通信系統(tǒng)主要用于下達(dá)控制命令；傳感與導(dǎo)航系統(tǒng)主要機(jī)器人內(nèi)外環(huán)境感知與運(yùn)動(dòng)操控；人機(jī)交互系統(tǒng)則是方便人類監(jiān)控和介入機(jī)器人的相應(yīng)狀態(tài)和運(yùn)行之需。5激光導(dǎo)航機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

（二）軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)機(jī)器人硬件總體設(shè)計(jì)方案和激光導(dǎo)航機(jī)器人功能可知，系統(tǒng)軟件要實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示屏、機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)器、無線通信接收系統(tǒng)、光電傳感器等硬件系統(tǒng)的控制（包括初始化、控制信號(hào)的輸出和返回信號(hào)的獲取等），還包括信息顯示、傳感器信號(hào)的處理和模糊控制算法等。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，整個(gè)系統(tǒng)主要由系統(tǒng)主程序和各功能子程序組成。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、界面的顯示（包括歡迎界面、模式選擇界面和模式信息界面等）、各模式之間的切換、遙控信號(hào)的接受等功能。各功能子程序主要包括遙控驅(qū)動(dòng)、讀取遙控信號(hào)、激光傳感位置獲取、激光導(dǎo)航位置信息顯示、模糊控制算法和自動(dòng)驅(qū)動(dòng)等子程序。激光導(dǎo)航機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

四、激光導(dǎo)航機(jī)器人在電力巡檢中的應(yīng)用展望

激光導(dǎo)航機(jī)器人是集光電、機(jī)械和計(jì)算機(jī)與一體的高科技產(chǎn)物，近年來，由于激光導(dǎo)航機(jī)器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、航天和人類生活的各個(gè)方面顯示了越來越廣泛的應(yīng)用前景。在電力工業(yè)領(lǐng)域，由于激光導(dǎo)航機(jī)器人安全、自動(dòng)、省時(shí)、精準(zhǔn)、高效的優(yōu)勢，已成為電力系統(tǒng)巡檢和診斷故障的必不可少的工具。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在電力系統(tǒng)巡檢領(lǐng)域，機(jī)器巡檢時(shí)間量占巡檢時(shí)間總和的60%。隨著科技的不斷進(jìn)步，激光機(jī)器人的已逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，激光機(jī)器人在不久的將來或完全代替人工進(jìn)行電力系統(tǒng)巡檢和故障診斷。

參考文獻(xiàn)

[1]（美國）尼庫拉.庫克.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論——分析、控制及應(yīng)用（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2]張毅，羅元，鄭太雄.移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3]黃博，趙建文，孫立寧.基于靜平衡的四足機(jī)器人直行與樓梯爬越步態(tài)[J].機(jī)器人，2010，32（2）：46-47.

[4]周學(xué)才，李衛(wèi)平，李強(qiáng).開放式機(jī)器人通用控制系統(tǒng)[J].機(jī)器人，1998，20（1）：25-31.

[5]孟江華，朱紀(jì)洪，孫增圻.未知環(huán)境下基于傳感器的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃新方法[J].機(jī)器人，2005，27（4）：319-324.

[6]樊尚春.傳感器技術(shù)及應(yīng)用（第二版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.