一种基于激光雷达的地下电缆隧道巡检机器人及实现方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光雷达的地下电缆隧道巡检机器人，包括履带式行走机构、箱体、传感器系统、单片机、工控机、蜂鸣器和两件火焰检测系统；本发明专利技术的实现方法，包括步骤：(1)通过单线激光雷达对于隧道的环境进行检测，获得环境数据；(2)将单线激光雷达的数据传输给工控机；(3)工控机通过算法解算隧道环境并规划路线；(4)根据规划好的路线，通过PID控制系统对机器人的前进速度和方向进行调整，实现对机器人的控制；(5)火焰检测系统检测两侧是否有火焰目标。本发明专利技术采用单线激光雷达，在测试周围障碍物的距离和精度上更加精准，机器人的定位不需要提前铺设信标、网络、轨道等，降低了人力成本。力成本。力成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光雷达的地下电缆隧道巡检机器人及实现方法


[0001]本专利技术涉及巡检机器人及实现方法，尤其涉及一种基于激光雷达的地下电缆隧道巡检机器人及实现方法。

技术介绍

[0002]随着电缆隧道的普及和发展，其存在的安全隐患也越来越大，若巡检不及时，隧道内会有发生火灾的危险，特别是在空间窄小、隧道两侧壁上突出大量金属棍形障碍物的输电隧道中，通过人力来进行地下隧道的巡检难度较高，对于工作人员的巡检也有相当的大的危险性，所以大多采用隧道机器人进行巡检。目前可用于隧道定位的主流的巡检机器人有基于RFID、UWB、B1uetooth等的有轨式巡检机器人。但是其有轨式的巡检机器人大多成本较高，比如UWB。而且需要铺设网络并对网络进行定期的维护，如蓝牙定位需要部署蓝牙的信标，基于RFID需要提前安置标签，成本也要增加不少。而无轨的巡检机器人，如采用CCD摄像头的无轨巡检机器人。其CCD摄像头一般价格较为昂贵而且地下隧道潮湿的环境会对镜头产生一定的水雾遮挡，巡检效果不佳。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种实现精准测试周围障碍的距离扫描速度快、可靠性高的基于激光雷达的地下电缆隧道巡检机器人及实现方法。
[0004]技术方案：本专利技术的机器人，包括履带式行走机构、箱体、传感器系统、单片机、工控机、蜂鸣器和两件火焰检测系统；所述箱体设于履带式行走机构上，所述单片机、工控机和蜂鸣器均设于箱体内部；所述履带式行走机构采用电机提供动力，所述单片机通过电机控制履带式行走机构；
>[0005]传感器系统与工控机连接，所述传感器系统包括有四个单线激光雷达，其中第一单线激光雷达和第二单线激光雷达分别置于箱体左右两侧，第三单线激光雷达置于箱体上端前侧，第四单线激光雷达置于箱体上端后侧；所述的四个单线激光雷达均与工控机连接；
[0006]所述传感器系统将数据传输给工控机，工控机对数据进行分析处理，并根据得到隧道的环境情况和障碍物分布信息，进行路径的规划和车体的导航控制；工控机将机器人的前进速度、前进方向和转弯幅度信息传输给单片机，单片机通过PID控制机器人姿态和速度的调整，实现前进过程中对障碍物的规避；
[0007]两件火焰检测系统分别设于箱体两侧，且分别位于第一单线激光雷达和第二单线激光雷达的后侧，均与单片机连接；所述火焰检测系统将检测信号发送给单片机，单片机根据接收到信号控制蜂鸣器。
[0008]本专利技术机器人的实现方法，包括以下步骤：
[0009](1)通过四个单线激光雷达对于隧道的环境进行检测，获得环境信息；
[0010](2)将四个单线激光雷达的数据传输给工控机；
[0011](3)工控机通过算法解算隧道环境并规划路线，所述规划路线包括直行路线规划、
障碍物规避和弯道路线规划；
[0012](4)根据规划好的路线，通过PID控制系统对机器人的前进速度和方向进行调整，实现对机器人的控制；
[0013](5)火焰检测系统检测两侧是否有火焰目标，如果有，则发送停止命令，并切换模式，进行灭火。
[0014]进一步，所述步骤(1)中，获得的环境信息包括金属型障碍物、墙体、地面的点云数据。
[0015]进一步，所述步骤(3)中，所述直行路线规划通过对第三单线激光雷达和第四单线激光雷达扫描获得的点云数据进行处理来实现的，将点云数据分成可用点和障碍点：从隧道侧壁突出来的金属棍对应的点云为障碍点，不予考虑；从隧道两侧壁对应的点云为而可用点；所述可用点的处理步骤如下：
[0016](31)采用KD
‑
tree最近邻近搜索算法查找激光雷达每一个点的最近邻近点，计算每一点与其最近邻近点的平均距离；对于给定的查询数据P须从KD
‑
Tree的根节点开始比较，其中P(k)为当前结点划分维度k上数据点P对应的值，m为当前结点划分的阈值；
[0017]若P(k)<m，则访问左子树；否则访问右子树，直至达到叶子结点Q；此时Q就是当前最近邻点，P与Q之间的距离是当前最小距离D
min
；
[0018]随后沿着原搜索路径回退至根结点，若此过程中发现与P之间距离小于D
min
的点，则将未曾访问过的子节点均纳入搜索范畴，并及时更新最近邻点，直至所有的搜索路径都为空，整个基于KD
‑
Tree结构的最近邻点查询过程便告完成；若此过程中发现与P之间距离大于等于D
min
的点，则沿搜索路径回退至根节点；
[0019](32)采用欧式聚类对金属障碍物进行聚类，将金属障碍物从墙体环境中分离出来，对隧道内的某点A进行KDTree近邻搜索，得到k个离A最近的点，将距离小于设定阈值的点聚类于集合B；
[0020]判断集合B中的元素数量，若B中元素数量不再增加，说明机器人保持在隧道中间部分前进，若B中元素数量增加，则需要在B中选取A以外的点，更新初始点A的值，重新进行聚类；
[0021]所有点的邻近点的平均距离满足高斯分布，通过筛选高斯分布中与距离均值相差较多的点，完成对于测量信息中障碍点的聚类，从而得到去除金属障碍物的墙面的距离和位置信息，最终实现机器人关于墙面的定位。
[0022]进一步，所述步骤(3)中，所述障碍物规避的实现过程为：
[0023]通过第一单线激光雷达和第二单线激光雷达扫描平面相对地面垂直，单片机对两单线激光雷达扫描到的点云进行处理，对其中属于地面的点云和墙面的点云进行筛除，如两侧地面的点云不一致、或者两侧墙面的云点不一致、或者与其他点云对比产生突变的，则判定为属于障碍物的点云，以此判断出障碍物的位置和距离；
[0024]当两侧障碍物的距离达到设定阈值M以下时，判断出机器人前方左侧或者右侧出现障碍物，通过单片机进行控制，实现对应的规避。
[0025]进一步，所述步骤(3)中，所述弯道路线规划的实现过程为：通过箱体第一单线激光雷达、第二单线激光雷达和第三单线激光雷达检测到前方墙面的距离，再通过卡尔曼滤波进行滤波后得到滤除障碍物后的真实值；通过三个距离信息，计算墙面的弯曲曲率，根据
曲率的大小控制机器人转弯的幅度大小，从而实现转弯。
[0026]进一步，所述步骤(4)中，根据实验获得的理想PID控制参数，编写单片机程序；通过第三单线激光雷达和第四单线激光雷达收集并采用聚类算法分离出的地面点云，获取机器人的前进距离和时间，解算出实时速度v、实时加速度a，并与单片机控制履带式行走机构的电机速度进行对比校正；
[0027]左移、右移、直行、转弯命令由工控机发至单片机，将当前隧道机器人的位姿误差作为PID控制器的输入，得到左右电机需要输出的PWM波占空比，使用增量式PID控制器，根据隧道机器人的当前位姿控制电机转速，从而调整机器人姿态，使机器人按照工控机规划的路线进行左移、右移、直行、转弯等，达到对机器人的控制。
[0028]本专利技术与现有技术相比，其显著效果如下：1、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光雷达的地下电缆隧道巡检机器人，其特征在于，包括履带式行走机构、箱体、传感器系统、单片机、工控机、蜂鸣器和两件火焰检测系统；所述箱体设于履带式行走机构上，所述单片机、工控机和蜂鸣器均设于箱体内部；所述履带式行走机构采用电机提供动力，所述单片机通过电机控制履带式行走机构；传感器系统与工控机连接，所述传感器系统包括有四个单线激光雷达，其中第一单线激光雷达和第二单线激光雷达分别置于箱体左右两侧，第三单线激光雷达置于箱体上端前侧，第四单线激光雷达置于箱体上端后侧；所述的四个单线激光雷达均与工控机连接；所述传感器系统将数据传输给工控机，工控机对数据进行分析处理，并根据得到隧道的环境情况和障碍物分布信息，进行路径的规划和车体的导航控制；工控机将机器人的前进速度、前进方向和转弯幅度信息传输给单片机，单片机通过PID控制机器人姿态和速度的调整，实现前进过程中对障碍物的规避；两件火焰检测系统分别设于箱体两侧，且分别位于第一单线激光雷达和第二单线激光雷达的后侧，均与单片机连接；所述火焰检测系统将检测信号发送给单片机，单片机根据接收到信号控制蜂鸣器。2.一种基于激光雷达的地下电缆隧道巡检机器人的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过四个单线激光雷达对于隧道的环境进行检测，获得环境信息；(2)将四个单线激光雷达的数据传输给工控机；(3)工控机通过算法解算隧道环境并规划路线，所述规划路线包括直行路线规划、障碍物规避和弯道路线规划；(4)根据规划好的路线，通过PID控制系统对机器人的前进速度和方向进行调整，实现对机器人的控制；(5)火焰检测系统检测两侧是否有火焰目标，如果有，则发送停止命令，并切换模式，进行灭火。3.根据权利要求2所述的基于激光雷达的地下电缆隧道巡检机器人的实现方法，其特征在于，所述步骤(1)中，获得的环境信息包括金属型障碍物、墙体、地面的点云数据。4.根据权利要求2所述的基于激光雷达的地下电缆隧道巡检机器人的实现方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述直行路线规划通过对第三单线激光雷达和第四单线激光雷达扫描获得的点云数据进行处理来实现的，将点云数据分成可用点和障碍点：从隧道侧壁突出来的金属棍对应的点云为障碍点，不予考虑；从隧道两侧壁对应的点云为可用点；所述可用点的处理步骤如下：(31)采用KD
‑
tree最近邻近搜索算法查找激光雷达每一个点的最近邻近点，计算每一点与其最近邻近点的平均距离；对于给定的查询数据P须从KD
‑
Tree的根节点开始比较，其中P(k)为当前结点划分维度k上数据点P对应的值，m为当前结点划分的阈值；若P(k)<m，则访问左子树；否则访问右子树，直至达到叶子结点Q；此时Q就是当前最近邻点，P与Q之间的距离是当前最小距离D
min
；随后沿着原搜索路径回退...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾庆喜，郑宇宏，王璇子，吕子涵，赵昊，梁财耀，张玉芬，
申请(专利权)人：广州安然智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：