一种电力巡检机器人用二维激光雷达标定装置的制作方法

本实用新型涉及一种电力巡检机器人用二维激光雷达标定装置。

背景技术：

变电站巡检机器人是一种全自主运行的地面移动机器人，其可携带可见光摄像机、红外热像仪、拾音器等传感器对电力设备进行自动巡检，有效降低人工巡检的劳动强度，保障变电站设备安全运行。

目前，基于激光雷达的无轨定位导航技术已经在巡检机器人中得到了广泛应用，该技术一般利用二维激光雷达探测机器人周边障碍物相对于其探测中心点的距离和方位信息，并利用该信息构建机器人运行环境电子地图；之后通过将当前激光雷达输出数据与电子地图数据进行匹配，从而得到机器人的绝对位置和方向。另外，在机器人运行过程中，还可通过分析激光雷达输出数据得到机器人运行前方障碍物信息，从而进一步实现机器人对障碍物的避让。

在上述过程中，激光雷达输出数据精度直接影响到后续机器人定位导航效果，然而激光雷达输出数据则受到其传感器本体系统误差及工作环境中非系统误差的影响，导致其输出的测距值与真实距离存在偏差。虽然已有文献对激光传感器性能进行研究并给出了传感器参数的标定方法和装置，但这些标定工作大都需要在实验室环境下进行，得到的标定参数实际应用时不一定使激光测距精度达到最佳。

技术实现要素：

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种电力巡检机器人用二维激光雷达标定装置，本实用新型可以在机器人运行环境现场实现对激光雷达测距参数进行标定，减少标定结果误差。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种电力巡检机器人用二维激光雷达标定装置，包括具有行走机构的移动平台，所述移动平台上设置有待标定的激光雷达，所述激光雷达的上端设置有电控旋转装置，所述电控旋转装置上端设置有激光测距仪，使激光测距仪的测距参考点位于电控旋转装置转动中心，数据采集控制装置接收激光雷达和激光测距仪的测量结果，并控制电控旋转装置的转动角度。

优选的，所述移动平台上设置有供电装置和接线装置，供电装置通过接线装置与激光光源连接。

所述激光雷达为二维激光雷达，其以固定角度间隔探测平面扇形区域内障碍物相对于其探测中心的距离信息。

所述激光测距仪随电控旋转装置旋转，输出电控旋转装置旋转范围内的距离数据。

所述电控旋转装置转动中心与激光雷达中心对齐，并保证电控旋转装置旋转时激光测距仪测距平面与激光雷达扫描平面平行。

所述数据采集控制装置内包含一个PID控制器，依据激光测距仪输出的测距数据控制电控旋转装置旋转，直到相邻的测距数据差值小于设定阈值，之后采集激光测距仪对激光雷达进行标定。

本实用新型的有益效果为：

构建了新型激光雷达标定装置，设备结构简单，非常适合在机器人运行环境现场进行，从而使所得到的标定参数更好的匹配机器人运行环境中障碍物表面特性，为基于激光雷达的变电站巡检机器人无轨定位导航提供更为精确的数据。

附图说明

图1为本发明标定装置组成结构示意图；

图2为本发明的涉及电控旋转装置控制流程图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

一种电力巡检机器人用二维激光雷达标定系统，如图1所示，包括待标定激光雷达、移动平台、辅助测距装置和数据采集控制装置。

所述待标定激光雷达为二维激光雷达，其可以固定角度间隔探测平面扇形区域内障碍物相对于其探测中心的距离信息；

所述移动平台上固定安装待标定激光雷达、辅助测距装置和数据采集控制装置；

所述辅助测距装置包含了一个高精度一维激光测距仪及电控旋转装置，激光测距仪固定于电控旋转装置上，并保证其测距参考点位于电控旋转装置转动中心，同时测距仪可随电控旋转装置旋转，从而得到电控旋转装置旋转范围内的测距数据；

所述电控旋转装置转动中心还与待标定激光雷达中心对齐，并保证其旋转时一维激光测距仪测距平面与激光雷达扫描平面平行；

所述数据采集控制装置分别连接激光雷达、高精度一维激光测距仪及电控旋转装置，其负责采集激光雷达、高精度一维激光测距仪数据，并控制电控旋转装置的旋转。

本标定装置的标定方法可以利用多种方法。

现举例说明下。激光雷达标定具体步骤为：

(1)在机器人运行环境中选择标定用障碍物，保证障碍物具有与地面垂直的平整表面且周边地面平坦；

(2)在障碍物周边区域的固定点上调整移动平台位置和方向，使激光雷达探测到所选障碍物表面；

(3)保持移动平台静止，数据采集控制装置采集m组激光雷达测距数据rⁱ，其中i＝1,2,…,m，之后在每组数据中截取对应到障碍物相同探测方向上的各n个数据，并求取每个探测方向上测距数据的均值如下式所示：

(4)在上述n个测距数据均值中选择最小值(k为该最小值的索引)作为激光雷达探测中心与所选障碍物表面垂直距离的传感器内部测量值R，即：

(5)数据采集控制装置采集高精度一维激光测距仪测距数据，并依据相邻两次采集数据差值控制电控旋转装置，以得到测距数据的最小值L，作为激光雷达探测中心与所选障碍物表面垂直距离的传感器内外部测量值，其控制流程(如图2所示)如下：

(5-1)控制电控旋转装置旋转，使高精度一维激光测距仪测距轴线与被测障碍物表面基本垂直，采集此时测距数据；

(5-2)控制电控旋转装置旋转一定角度，再次采集测距数据，将前后两次采集距离数据相减，得到的差值输入数据采集控制装置内的PID控制器，之后连续采集测距数据并计算差值，并由PID控制器控制电控机构旋转；

(5-3)当相邻两次测距数据差值小于设定阈值时，电控旋转装置停止旋转。

(6)将移动平台放置到所选标定用障碍物周边区域内新的固定点上，再依次执行步骤(2)至步骤(6)，经过N次后，形成N组激光雷达探测中心与所选障碍物表面垂直距离的传感器内外部测量值对：

＜R₁,L₁＞,＜R₂,L₂＞,…,＜R_N,L_N＞

(7)利用文献“移动机器人导航中激光雷达测距性能研究，传感技术学报，第19卷，第2期，2006.4，356-360页”所述方法建立L和R的线性关系，如下式所示：

L＝a*R+b

采用线性最小二乘方法即可求得激光雷达测距数据的标定参数a和b，如下式所示：

其中：

求得光雷达测距数据的标定参数后，后续激光雷达测距输出数据r经标定参数校正后所得校正值为：

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。