[发明专利]基于双一线激光雷达的机器人自主导航系统

权利要求书

1.一种基于双一线激光雷达的机器人自主导航系统，其特征在于，包括双一线雷达系统、上层导航系统、底层控制算法、运动执行系统；

所述上层导航系统包括SLAM算法、坐标变换算法；利用SLAM算法根据水平安装的雷达采集的原始激光雷达数据动态构建当前空间的二维地图，同时解算出机器人平台的位移信息；

所述坐标变换算法根据SLAM算法所获得的机器人位移信息对动态扫描的雷达各时刻所获取的原始激光雷达数据进行坐标变换和叠加，从而将采集的环境信息确定出机器人周围空间内障碍物的三维信息；根据构建的二维地图进行全局路径规划，规划出一条当前位置与目的地之间的可行路径；与此同时采集机器人的实时速度；如此根据采集到的速度信息、全局路径、三维数据进行局部路径规划，并生产控制指令，从而实现机器人上层导航；

所述底层控制算法对上层导航系统生成的控制指令进行解析和坐标变换，并利用PID控制对运动执行系统进行控制，从而驱动机器人移动；

所述双一线激光雷达系统：其中一部为雷达二，安装于机器人底部距离地面10cm高度处，雷达二在扫描平面水平上放置，在运行过程中获取所在室内环境的基本轮廓信息，用于后续全局地图的构建；另一部为雷达一，则安装在机器人顶部的扫描雷达控制器上；

整个扫描雷达控制器由机械装置和控制电路组成；机械装置包括用于固定整个装置的支架、用于安装雷达一的底座、用于传动的连杆和用于提供动力的舵机，整个装置呈四边形结构；运行时，舵机在控制电路的控制下进行上下运动，从而带动雷达一绕底座转轴对空间进行扫描；

由于雷达一位于机器人顶端，因此其扫描范围分布在机器人顶端所在的平面以下；为使机器人能够顺利绕过障碍物，周围预留一定安全距离，由几何关系可知，雷达一在水平面以下的扫描范围θ₁由公式(1)计算得到

其中δ为安全距离，H为机器人高度；

所述坐标变换算法：

对空间进行扫描的雷达采集的数据是基于固定于雷达上的坐标系的距离信息，而雷达与机器人系统平台间存在相对运动，因此要根据雷达数据获取机器人坐标系下的障碍物三维信息则需要对数据进行坐标变换；

雷达采集到的原始数据在圆柱坐标系表示为(ρ,φ,z)，根据公式(2)转换为直角坐标

若以机器人系统平台前进方向为X轴正方向，竖直向上为Z轴正方向，机器人底盘中心为原点建立坐标系，则雷达数据在机器人坐标系下由下式计算

其中[x y z]'是变换到直角坐标系下的雷达数据，[x' y' z']'是变换到机器人坐标系下的雷达数据，是由雷达控制器发回的当前雷达扫描平面与水平面间的夹角，[x₀ y₀z₀]'则是雷达在机器人坐标系下的坐标；

考虑到机器人在进行扫描时在不断运动，因此机器人坐标系和空间坐标系间存在相对运动，为得到准确的空间信息需要将机器人坐标系下的雷达数据进一步转换到空间坐标系下，为此需要获得机器人在空间坐标系下的位置；系统将固定安装的激光雷达一作为获取该位置信息的数据来源，该雷达所采集的是同一水平面内的环境信息；

首先对该数据进行基本的坐标平移变换，将其转换到空间坐标系下，之后采用SLAM算法对机器人在不同时刻采集的数据进行特征匹配，进而解算出机器人在空间中的位移信息；通过对位移信息进行累加，同时根据编码器测得的机器人移动速度对累加结果进行修正，再根据机器人的初始位置即可获得空间坐标系下的位置；

在获得机器人在空间坐标系下的位置后，将机器人坐标系下的雷达数据进行平移即可得到空间坐标系下的空间信息；当机器人完成一次90°范围内的扫描后，将所有扫描到的点经过上述变换后进行叠加，最终得到当前机器人附近空间的三维信息；

所述底层控制算法：

通过串口接收到上层导航系统产生的控制指令后首先对其进行解析；该控制指令中包含机器人的期望移动速度和旋转角速度；采用的是三轮驱动的机械平台，而控制指令所提供的是整个机器人平台的速度，因此需要将机器人的期望速度转换为三个轮子的期望速度；

以机器人底盘中心为原点，机器人前进方向为x轴正方向，竖直向上为z轴正方向建立坐标系，设机器人在x轴和y轴方向上的期望速度及绕z轴的转速构成的向量为[v_x v_y ω]^T，而三个轮子的速度所构成的向量为[v₁ v₂ v₃]^T；设二者之间存在变换关系

上式改写为

式中[v_x v_y ω]^T的值由控制指令给定，因此只需确定参数矩阵即可解得三个轮子的速度向量；

最终求得的参数矩阵为将其带入式中即可得三个轮子速度与机器人移动速度间的关系；在得到三个轮子的期望速度后，底层控制单元将利用PID算法对三个轮子分别进行控制，最终实现对机器人的运动控制。