基于激光雷达的自主移动机器人实验教学平台设计

为培养高素质复合型的“新工科”人才,满足相关课程的实验教学需求,设计了基于激光雷达的自主移动机器人实验教学平台。平台涉及机械设计、机器人操作系统开发、同时定位与地图构建(SLAM)、路径规划等相关理论知识。利用平台开发了Rviz可视化界面、SLAM仿真、室外建图、路径规划等实验项目。实验结果表明,自主移动机器人软硬件系统的基本性能良好,相关SLAM算法、路径规划方法具有可行性。通过该平台开展实验教学,可以显著提升学生解决工程实际问题能力和创新实践能力。

室内巡检机器人的定位方法

针对巡检机器人在室内环境进行巡检任务时无法准确到达指定位置的问题,提出一种基于激光雷达和里程计的分区域定位方法。当机器人工作在定位精度要求不高的非目标区域时,采用激光雷达加里程计的定位算法进行导航;而当机器人进入包含指定位置的目标区域时,则利用搭载在机器人上的激光测距传感器和已知位置的地标来推算机器人的当前位姿,并根据机器人的当前误差进行位姿矫正,实现机器人在目标位置的精确定位。实验结果表明:该定位方法的位置误差<2 cm,偏转角误差<1°,满足巡检机器人的定位精度要求,具备可行性和实际价值。

融合A^(*)和TEB算法的巡检机器人路径规划研究

针对激光雷达智能巡检机器人在复杂环境下静态障碍物路径规划复杂,动态障碍物躲避效果不佳等问题,提出一种路径规划融合算法以提高机器人避障效果。采用Karto-SLAM进行激光SLAM建图,将A^(*)算法与TEB算法有效融合完成机器人的全局路径规划与局部路径规划。仿真实验与实测表明,通过Karto算法所建地图的平均误差约为1.259%,A^(*)与TEB的融合算法在完成单一A^(*)算法最优路径生成的同时还具备良好的避障功能,有效避障率达到90%以上,满足巡检机器人移动避障等要求。

某钨矿露地联采关键地压灾害监测预警研究

某钨矿形成了露地联采的开采局面,面临着井下群采空区与隔离间柱稳定性、露采边坡稳定性、露地相互影响等关键地压灾害问题。设计建设了最先进的66通道微震监测系统、测量机器人与边坡雷达等地压监测预警系统。文章详细介绍了一次典型的岩体失稳垮塌的成功预警案例。上述综合性的地压监测手段将为矿山安全生产提供重要的技术支撑。

嵌入式激光雷达下室内移动机器人动态定位方法

由于空间的限制,室内移动机器人在操作过程中对位置确认的要求较高,存在移动轨迹定位偏离的问题。为此提出嵌入式激光雷达下室内移动机器人动态定位方法。利用坐标转换以及欧式距离分割法对采集的激光雷达数据实施预处理,去除噪声对后续定位的影响。通过回波强度确定反光板的位置拟合变化,利用三边定位算法对移动机器人实施精准定位。经实验验证,该方法的定位误差较小,不仅可以实现室内移动机器人整体高精度的动态定位,而且可以很好地监测室内移动机器人的轨迹。

基于雷达机器人的隧道衬砌高效检测技术研究

为解决隧道衬砌结构病害检测中设备布设困难、检测效率低下、结果不具代表性等问题,设计由四旋翼-四驱动结构搭载900 MHz无线雷达、运行速度为18 km/h的隧道衬砌雷达检测机器人,设定力学指标满足机器人沿衬砌环向曲面行走的功能,并研制重力传感器用于路径校准。依据雷达机器人采集的结构损伤信息,开发雷达信号轻量化网络模型,对钢筋、厚度不足、不密实与空洞4类衬砌内部常见的异常信号进行自动分类,并输出空洞顶部与底部反射的信号时间窗,可用于空洞信号的精准定位与深度测算。在小笠尖隧道与鹿山隧道开展实际工程检测应用,并完成现场打孔验证。工程应用及验证结果表明:1)雷达机器人能快速稳定完成结构数据的自动化采集,与人工检测相比,检测数据精度较高,检测4000 m^(2)衬砌由3 h缩短至0.5 h;2)雷达信号轻量化网络分类精确度指标F1分数与mAP@0.5分别为0.93与97.51%,优于雷达图谱模型并且计算量较小;3)定位模块在不同位置处对空洞深度尺寸的预测准确率均大于80%,输出位置、深度信息与现场打孔结果一致,证明了雷达机器人在病害自动化检测中的有效性。

多源探测法在地下障碍物探测中的应用研究

大连地铁5号线贯通大连市核心区南北,是加快实现大连湾两岸中心发展战略和城市北拓进程的重点项目,为保障地铁线路设计、地铁施工安全以及未来地铁的运行安全,需进行地下障碍物探测。由于传统的电磁法面对复杂环境下的地下障碍物探测效果不佳,为此采用电磁感应法、探地雷达、管道机器人(CCTV)等多源探测方法对其进行探测,能在复杂的地下障碍物中“抽丝剥茧”,解决了地下障碍物,尤其是非金属地下障碍物隐蔽点探测的难题。

基于反光材料的移动机器人定位充电桩方案设计

针对移动机器人无法自主对接未给出确定位置的充电桩而充电失败的情况,提出一种移动机器人定位充电桩方案。通过使用反光材料,利用激光雷达的强度特征和Hough变换,实现机器人对未知位置的充电桩的检测和定位,达到激光雷达检测动态充电桩位姿的目的;通过红外传感器的发射与接收数据特征,完成机器人对接被检测到的充电桩的功能。测试结果显示,反光材料的引入和激光雷达强度信息的使用可以有效解决机器人定位未给出精确位置的充电桩的成功率,与红外传感器结合的定位充电桩方案可以辅助机器人对接该情况下的充电桩。

基于爬墙机器人搭载高频雷达外墙保温装饰连接构造成像技术研究

针对高层和超高层建筑外墙外保温装饰层的连接构造探测难的问题,试验验证了基于爬墙机器人搭载高频雷达探测仪进行成像扫描检测的可行性,通过搭建典型外墙外保温构造进行了高频雷达探测成像的验证性测定,表明高频雷达爬墙机器人可实现精准的外墙保温板粘结构造的透射成像和定量化的测定。通过在实际的薄抹灰保温构造、轻质抹灰砂浆构造和石材幕墙3类工程上测定,表明该装备可在高层和超高层建筑上安全、方便、精准地对保温装饰层的隐蔽粘结构造进行无损的定量化成像探测,特别对石材幕墙的龙骨锚固成像进行了实际探测,取得了良好的成像效果,为建筑外墙装饰层与墙体结构连接质量和安全健康评估提供了解决方案。

基于主被动柔顺的隧道机器人地质雷达检测系统

隧道墙体缺陷检测是保障轨道交通良好运营的重要环节。针对轨道交通综合检测装备检测灵活性差的问题,设计一套基于主被动柔顺的隧道机器人地质雷达检测系统,实现隧道墙体裂缝、轮廓断面等病害的高效检测。首先,设计基于弹性回复机构的被动柔顺控制装置,实现地质雷达贴壁检测的自然顺从;然后,提出基于阻抗控制算法的隧道机器人主动柔顺控制算法,主动适应隧道的贴壁检测;最后,通过隧道机器人地质雷达检测系统平台验证了基于主被动柔顺的隧道机器人地质雷达检测系统的有效性,并将该系统集成到轨道交通综合检测装备上进行了实地应用,提高了该装备的检测能力。

基于激光感知的农业机器人定位系统

为解决基于全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的农业机器人和自动驾驶农机在机库、大棚等卫星信号弱或无环境下定位精度低甚至无法定位的问题,该研究提出了基于激光感知的农业机器人定位方法。采用二维激光雷达和激光接收器设计了基于激光感知的机器人定位系统,通过二维激光雷达发射扫描激光获取机器人上激光接收器的点云,同时激光接收器感应扫描激光,融合感应扫描激光时间差和激光接收器点云特征,得到移动激光接收器(即农业机器人)的定位。以全站仪测量为参照在大棚内开展验证试验,结果表明,在激光雷达扫描范围内,机器人行驶速度为0.8 m/s时,直线行驶时最大偏差绝对平均值为4.1 cm,最大均方根误差为1.5 cm;曲线行驶时最大偏差绝对平均值为6.2 cm,最大均方根误差为2.6 cm,满足农业机器人在农机库等环境中自动导航所需定位精度要求。

Path Planning Approach Based on Dual Laser Radar Fusion

A dual laser radar based path planning method for mobile robot in general outdoor road environment is proposed. Firstly, the point-wise sequence and target library of the global optimal path are generated based on algorithm A*. Secondly, the local target information and the perceptive information from dual laser radar are combined, and the different field information from both horizontal and aslant fixed laser radars is fused. Finally, the optimal driving angle is computed by the improved angle potential field(APF)algorithm. The practical experiment results validate the robustness and timeliness of the proposed approach.

果园移动机器人激光雷达双源信息融合实时导航方法

为提高林果园移动机器人导航系统的精确性与鲁棒性,提出一种基于激光雷达三维点云的果园行间高低频双源信息融合实时导航方法。首先,喷雾机器人搭载三维激光雷达采集两侧果树点云信息,对原始点云数据进行直通滤波、降采样和统计滤波等预处理,保留感兴趣区域内果树冠层点云;然后,将分别基于高频更新的牛顿插值算法和低频更新的非线性支持向量机(Non-linear support vector machine,NSVM)算法拟合的行间导航线进行互补融合;最后,在导航线切换时,对融合后导航线的稳定性进行优化,并使用三次B样条算法使导航线平滑。实验结果表明:融合优化后的导航线最大曲率为0.048 m^(-1),平均曲率为0.018 m^(-1);分别以0.5 m/s和1.0 m/s的行驶速度对融合优化后的导航线进行跟踪,绝对横向偏差最大值分别为0.104 m和0.130 m,平均值分别为0.053 m和0.049 m,说明该导航方法能够满足作业装备在果园行间自主导航作业的需求,为喷雾机器人在果园环境中的自主导航提供技术参考。

一种基于探地雷达等无损检测技术的污水处理设施混凝土顶板技术状况分级方法

针对污水处理设施混凝土构筑物经常出现较为严重的腐蚀破坏现象,通过对上海市某污水处理厂混凝土进行非接触检测以及无损检测,得到污水处理设施混凝土顶板剩余厚度和保护层剥落厚度,结合实地测量结果验证了所开发的污水处理厂基础设施整体腐蚀程度检测技术的可靠性,最终结合提出的技术状况分级方法和耐久性评定方法,建立了污水处理设施混凝土构筑物检测评估标准化流程。对上海市某污水厂粗格栅和生物反应池廊道顶板进行试评价,计算得出该污水厂地区混凝土顶板剩余服役寿命为16.4 a,按下一阶段的服役年限要求为30 a计算,通过技术分级方法及耐久性评定方法可以得出:下一目标使用年限内不满足耐久性要求,应及时采取修复或其他提高耐久性的措施。

基于GNSS和激光雷达的果园机器人导航系统研究

针对果园环境中GNSS信号易被遮挡的问题,研制了基于GNSS和激光雷达的果园机器人导航系统,实现了机器人在果园环境下感知定位、地图构建以及自主导航的功能。系统通过GNSS和激光雷达获取机器人位姿和果园环境,运用Cartographer算法构建果园地图,运用卡尔曼滤波融合GNSS和激光雷达数据,通过里程计辅助方法去除了机器人运动畸变,并根据构建的果园地图规划了机器人路径,完成了机器人自主导航。试验结果表明:速度为0.2、0.5、0.8m/s时,机器人导航的横向平均偏差小于11cm,标准差小于2.5cm;纵向平均误差小于10cm,标准差小于2.5cm。机器人实际路径与规划路径的横向平均偏差小于11cm,标准差小于2.5cm,满足了机器人在果园环境中的自主导航定位要求。

基于ROS的变电站室内巡检机器人的研究与设计

为了解决变电站室内人工巡检方式效率低、人工成本高、巡检精度低等问题,更好地促进数字化、智能化电网的发展,本文设计了一套适用于变电站室内巡检作业的机器人系统,该机器人系统包含巡检机器人终端、巡检专网、数据库、远程管理终端四部分,同时对机器人室内定位算法进行了研究,设计了机器人硬件结构,开发了机器人的控制系统,并对机器人的定位准确性、可靠性、安全性进行了模拟仿真实验和现场运行实验。实验结果显示:本文设计的巡检机器人可以很好地适应变电站室内环境,并且该机器人可以实现精确的定位与导航,对变电站室内设备运行情况进行精确巡检与故障预警,满足变电站室内巡检作业要求。最后对本次研究工作进行了总结,并提出了下一步研究计划。

基于地形感知的六足机器人运动控制方法

相对于传统的轮式机器人,足式机器人拥有丰富的运动状态,可以适应复杂多变的非结构路面,其中环境检测能力以及稳定的步态控制是现阶段的研究难点之一。结合地形感知与遥控操作的六足机器人运动控制方法采用三维激光雷达实时监测环境,获取机器人周围三维点云数据与高程图信息。提出了基于激光雷达点云数据的自由步态控制算法,实现了遥控器控制机器人运动的功能。在ROS系统中搭建算法,在Gazebo软件中进行步态仿真,最后在真实环境中完成实验验证。为六足机器人在复杂环境中的精确运动提供参考。

基于机器人与视觉的激光雷达芯片组装设备技术研究

芯片组装属于激光雷达生产的关键工艺。结合企业的实际生产及工艺需求,针对激光雷达组装涉及到的节拍与质量环节,设计一种激光雷达组装、点胶及视觉检测的设备,用以取代目前人工作业。针对企业实际生产过程中的痛点难点,对生产工艺流程进行分解模拟,确定设备的运动机构、视觉及自动化方案。多轴机器人和电缸用于上下料、芯片组装及点胶,视觉进行机器人引导与产品检测。C#语言开发的上位机取代传统的工业触摸屏作为整个设备的控制中枢,PLC完成逻辑动作的控制,最终完成芯片组装及检测设备的开发。人机交互合理,柔性化程序较高,上位机可接收生产系统下发的工单,无需人员值守即可投入生产,可有效减少生产人员,提高激光雷达的生产节拍及工艺质量,具有较高的实用性和借鉴意义。

农业轮式机器人三维环境感知技术研究进展

[目的/意义]作为未来农机装备的研究重点,农业轮式机器人正向着智能化与多功能化的方向发展。三维环境感知技术因其获取的信息量丰富、复杂环境下的鲁棒性和适应性好,成为了农业轮式机器人智能化无人作业的基础与关键,其发展水平直接影响到包括农业轮式机器人在内的无人农机的作业质量与效率。[进展]本文首先总结了农业轮式机器人和农业环境感知技术的发展现状,分析了不同类型农业轮式机器人的使用特点和应用现状。其次分析了在农业轮式机器人上实现三维环境感知所主要使用的感知设备及其对应的关键技术,重点阐述了基于激光雷达、视觉传感器和多传感器融合的农业轮式机器人三维环境感知技术的研究进展。[结论/展望]结合农业作业特点与实际需求,指出了农业轮式机器人三维环境感知技术在适用性、环境信息处理和感知效果等方面存在的一些问题,并提出了提升传感器的农业适用性、发展基于深度学习的农业环境感知技术、发展智能化的高速在线多传感器信息融合技术三个方面的建议,以期为农业轮式机器人三维环境感知技术发展提供参考与借鉴。

地下管道地质雷达检测机器人动力学仿真分析

地下管道地质雷达检测机器人有效解决了地下管道管内外病害综合检测问题,而机器人的动力学分析是实现机械结构优化和性能改善的基础。对600 mm地下排水管道地质雷达检测机器人开展Adams下的动力学仿真和仿真结果的实测试验验证,分析机器人工作在管道内壁有障碍物时,滚轮、扭簧、摇杆转轴和防护罩等关键部件的受力情况。结果表明:底部探测器关键部件的全程受力大小和过障碍物时的受力振幅均高于顶部探测器;底部探测器滚轮受力差异较大,偏上滚轮在未遇障碍物时不起作用,承载力集中在下侧滚轮;机器人受500 N水平牵引力作用,遇障物瞬间关键部件的受力呈3~60倍激增,防护罩承载达1700 N冲击力。分析结果为地下管道地质雷达检测机器人优化设计,尤其是不同位置探测器的关键部件设计、选材和加工提供了依据。