一种基于激光扫描仪的自主导航方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光扫描仪的自主导航方法，包括以下步骤：建立特征地图和巡检线路：通过人工的方式牵引巡检机器人完成对巡检路线的一次巡视，依次巡视形成以下模块：位置测量模块→位置估计模块→几何特征抽象模块→全局特征地图构建模块；巡检：巡检机器人自动按照以下步骤进行巡检，直至结束：位置测量模块→几何特征抽象模块→特征匹配模块→位置估计模块→机器人位置调整模块。本发明专利技术具有不用在变电站进行施工，对变电站现有的道路也没有苛刻的条件，碎石路和坡度不大的草地上也可以正常运行，还可以临时、灵活的调整巡检路线的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种自助主导航方法，特别是。
技术介绍
目前的电力巡检导航方式有以下几种，分别存在着相应的优缺点。 电磁导航： 电磁导航系统中的金属线由于是被埋设在地下的，具有隐蔽性好、不易被污染的优点。 此外，该系统导航对外界信号干扰较小，成本较低，并且它的原理简单可靠。但是，电磁导航 系统也有很大的缺点存在：当它的路径一旦被确定，更改起来就会特别困难。因此该导航方 式不灵活，也不易于维护。并且在变电站的环境中，容易受到变电站强磁场的干扰。 磁带导航： 磁带导航与电磁导航有着比较相近的原理。在磁带导航中，磁带是被铺设在路面上的。 而在电磁导航中，是把导线预先埋设在地下的。相比较而言，磁带导航的方式有不错的灵活 性，能够更容易的改变导航路线，同时铺设也会比较容易。但是，这种导航方式也存在着如 下缺点：因为将磁带铺设在地面上，所以它有被损坏或者被弄脏的风险；另外在草地和碎 石路上，导航磁带是无法铺设的。 激光导航： 激光导航的原理是：在工作场地的四周，固定好最少三块使用高反光性材料制做而成 的导引标志。将激光扫描器安装在巡检车上，然后对脉冲激光发射器发射出的并且被四周 的导引标志反射回来的激光进行扫描，从而就可以计算出巡检车的位置坐标。但是激光导 航存在的问题是，在变电站的环境中，需要铺设反光标识物，并且反光标识物在室外的环境 中也容易弄脏、损坏、变形等，致使定位误差变大或者失效。 以上导航方式的缺点一是都需要在变电站进行改造施工，可能影响现有变电站的 道路规划结构。二是巡检路径施工完成后，要变更巡检路线十分困难。
技术实现思路
在下文中给出关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理 解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关 键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念， 以此作为稍后论述的更详细描述的前序。 本专利技术的目的是在于提供一种不用在变电站进行施工，对变电站现有的道路也没 有苛刻的条件，碎石路和坡度不大的草地上也可以正常运行，还可以临时、灵活的基于激光 扫描仪的自主导航方法。 -种基于激光扫描仪的自主导航方法，包括以下步骤： A、建立特征地图和巡检线路：通过人工的方式牵引巡检机器人完成对巡检路线的一次 巡视，依次巡视形成以下模块：位置测量模块一位置估计模块一几何特征抽象模块一全局 特征地图构建模块； B、巡检：巡检机器人自动按照以下步骤进行巡检，直至结束：位置测量模块一几何特 征抽象模块一特征匹配模块一位置估计模块一机器人位置调整模块； 步骤A中所述位置测量模块的建立：首先根据里程计得出巡检机器人在T到T+1时刻 沿行进方向运动的距离；然后根据陀螺仪测得行进方向和水平X轴的夹角；根据T时刻的 全局坐标（_，Υγ)计算得到T+1时刻的全局坐标(編__， 步骤A中的所述位置估计模块的建立：运用卡尔曼滤波建立巡检机器人的运动模型和 观测模型； X (K) =A*X (K-1) +B*U (K) +W (K) (I) Z (K) =H*X (K) +V (K) (2) X(K)为K时刻的系统状态，U(K)为K时刻对系统的控制量，A和B为系统参数；Z(K)为 K时刻的测量值，H为测量系数;W(K)和V(K)分别表示系统和测量过程中的噪声，噪声满足 高斯白噪声模型，设W (K)和V (K)的协方差分别为Q和R ; 基于卡尔曼滤波的5个经典核心公式： X(k|k-l)=A*X(k-l |k-l)+B*U(k) (3) 其中X(k|k-1)是利用上一状态预测的结果，X(k-l|k-l)为上一时刻的最优估计值， U (k)为现在状态的控制量，在模型中，控制量U (k)为O ; 经过公式（3)之后，系统结果已经更新了，接下来计算X (k I k-Ι)的协方差，用P来表示 协方差，则为： P(k|k-1) = A*P(k-l|k-l)*^r + Q (4) 其中P(k|k-1)为X(k|k-1)对应的协方差，P(k-I|k-1)为X(k-I|k-1)对应的协方差， 滅『为A的转置矩阵，Q为系统噪声。 X(k|k) = x(k|k-l) + _ (k)*(Z(k) - H*x(k|k-1)) (5) 竭（k) = P(k|k-l)*|pV(H*P(k|k-l)*|p + R) (6) P(k|k) = (I - _ (k)*H)*P(k|k-l) (7); 步骤A中所述的几何特征抽象模块的建立：对于激光扫描仪采集的数据点，将其抽象 出几何特征，以便在巡检过程中进行位置匹配；抽象出的几何特征为直线段和圆弧，使用的 方法为最小二乘法拟合；对于拟合出的直线段，取线段的中心点（垮，&)为质心，直线段 则标识为（垮，_，L，| :)，L为线段的长度，I为线段与X轴的夹角；对于拟合出的圆弧， 我们取其圆心（释，_ )为质心，圆弧则标识为，^，R)，R为圆弧半径； 步骤A中所述的全局特征地图构建模块的建立：对应每一个拟合出的直线段和圆弧， 加上位置测量模块中里程计给出的信息，确定其全局坐标系中的坐标（X，y)，其中每个 特征都有全局坐标系中的坐标，和其先后的顺序，以及每一个时刻机器人的位置信息集 P ((S!:，我），（羯，顆）......（，)); 巡检步骤B中所述的位置测量模块：根据里程计得出巡检机器人在T到T+1时刻沿行 进方向运动的距离；根据陀螺仪测得行进方向和水平X轴的夹角；根据T时刻的全局坐标 (_，需）计算得到T+1时刻的全局坐标逸_，％·ρ); 巡检步骤B中的所述几何特征抽象模块：对于激光扫描仪采集的数据点，使用最小二 乘法进行拟合，得到直线段和圆弧；此时：对于拟合出的直线段，得到其（L，$ )，其中L为 线段的长度，_为线段与X轴的夹角；对于拟合出的圆弧，得到其R，R为圆弧半径； 巡检步骤B中的特征匹配模块：对于上一模块中抽象出来的直线段或者圆弧，参考位 置测量模块中里程计给出的位置信息以及匹配的先后顺序，将抽象出来的几何特征在全局 特征地图中进行匹配，以确认该几何特征对应的全局地图中的特征；选取匹配成功的两个 特征，获取其全局位置坐标信息，并且计算质心与巡检机器人的距离d，得到（?, ^，屯 )和（5?:，，i2); 巡检步骤B中的位置估计模块：根据上一模块特征匹配得到的两个匹配成功特征的信 息（?, _，电）和（鮮，海，：％)，运用平面三角定位的方法，计算当时时刻巡检机器 人的坐标（％，^ )，在取得巡检机器人的坐标之后，运用特征地图和巡检线路的建立中相 同的卡尔曼滤波方法计算得到巡检机器人的位置最佳估计值; 巡检步骤B中所述机器人位姿调整模块：根据上一模块得到的位置最佳估计值（藏:， i)，在位置信息集P中查找对应的坐标（％:，_)，调整机器人PID控制部分，实现机器人 从（，讀:）一? (?%::.，為::）的移动。 本专利技术与现有技术相比具有以下优点： 减少制作成本，不用在变电站进行施工，对变电站现有的道路也没有苛刻的条件，碎 石路和坡度不大的草地上也可以正常运行，运行范围宽泛，还可以临时、灵活的调整巡检路 线，使用更加灵活方便，抗干扰能力强。【附图说明】 图1为本专利技术特征地图和巡检线路建本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光扫描仪的自主导航方法，其特征在于：包括以下步骤：建立特征地图和巡检线路：通过人工的方式牵引巡检机器人完成对巡检路线的一次巡视，依次巡视形成以下模块：位置测量模块→位置估计模块→几何特征抽象模块→全局特征地图构建模块；巡检：巡检机器人自动按照以下步骤进行巡检，直至结束：位置测量模块→几何特征抽象模块→特征匹配模块→位置估计模块→机器人位置调整模块。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐金平，平升，李云丽，夏炜炜，王志，
申请(专利权)人：徐金平，
类型：发明
国别省市：湖北;42