CN106556826A - 变电站巡检机器人定位导航用二维激光雷达标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站巡检机器人定位导航用二维激光雷达标定装置及方法，包括具有行走机构的移动平台，所述移动平台的轴心线上设置有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的激光雷达，移动平台上穿过激光雷达的圆心且与移动平台的轴心线垂直的位置两侧对称设置有可垂直照射地面的激光光源，并保证两激光光源以激光雷达探测中心对称，利用简单的几何关系即可得到求取标定参数所需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。

Description

变电站巡检机器人定位导航用二维激光雷达标定装置及方法

技术领域

本发明涉及一种变电站巡检机器人定位导航用二维激光雷达标定装置及方法。

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。针对这一问题文献“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”与“Characterization ofa 2-D Laser Scanner for Mobile Robot Obstacle Negotiation，Proceedings of the2002IEEE International Conference on Robotics and Automation.May 2002,pp.2512-2518”均对不同情况下激光雷达测距性能进行了研究，得到了激光雷达测距数据的标定参数，然而在激光雷达应用于室外变电站巡检机器定位导航过程中，上述标定方法还面临以下两个问题：

(1)激光测距精度会受到环境中障碍物表面特性影响，对激光传感器的标定最好能在机器人运行环境现场进行，因此在实验室环境下得到的标定参数实际应用时不一定能使激光测距精度达到最佳；

(2)通常以上文献所述激光标定方法一般需要借助实验室内特定设备进行，因此对激光传感器的标定较难在机器人运行环境现场进行。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种变电站巡检机器人定位导航用二维激光雷达标定装置及方法，本发明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，本发明采用如下技术方案：

一种变电站巡检机器人定位导航用二维激光雷达标定装置，包括具有行走机构的移动平台，所述移动平台的轴心线上设置有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的激光雷达，移动平台上穿过激光雷达的圆心且与移动平台的轴心线垂直的位置两侧对称设置有可垂直照射地面的激光光源，并保证两激光光源以激光雷达探测中心对称。

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，所述移动平台的地面对应位置上设有坐标纸。

一种基于上述装置的标定方法，包括以下步骤：

(1)在机器人运行环境中选择标定用障碍物，配置激光雷达以一定角度间隔进行相邻两次距离探测；

(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)采集若干组激光雷达测距数据，在每组数据中截取对应到障碍物相同探测方向上的多个数据，并求取每个探测方向上测距数据的均值；

(4)选择均值最小值，选取与其相邻的两个测距均值，根据选取的数值，计算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；

(5)以两激光光源在地面形成定位点为参考点，分别测量这两点与障碍物表面最短距离，确定激光雷达探测中心与所选障碍物表面垂直距离的传感器外部测量值；

(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，根据其建立传感器内部测量值与传感器外部测量值的线性关系；

(7)根据求得的线性关系，计算激光雷达测距数据的标定参数，根据标定参数对激光雷达的输出数据进行标定参数校正，得到校正值。

所述步骤(1)中，保证障碍物具有与地面垂直的平整表面，且周边地面平坦。

所述步骤(4)中，测距数据均值中选择最小值k为该最小值的索引，选取与k相邻两个测距均值和

所述步骤(4)中，根据三个选择的测距数据均值和激光雷达相邻两次距离探测的角度，计算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。

所述步骤(5)中，激光雷达探测中心与所选障碍物表面垂直距离的传感器外部测量值为两激光光源在底面形成定位点与障碍物表面最短距离之和的一半。

所述步骤(7)中，传感器内部测量值R与传感器外部测量值L的线性关系为：

L＝K*R+D，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，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：

本发明的有益效果为：

(1)本发明构建了激光雷达标定装置，利用简单的几何关系即可得到求取标定参数所需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；

(2)整个标定过程所用设备简单，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；

(3)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，现场标定有利于减少标定结果误差。

附图说明

图1为本发明的标定装置结构正视图；

图2为本发明的标定装置结构俯视图；

图3为本发明的标定几何关系示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种变电站巡检机器人定位导航用二维激光雷达标定装置，如图1所示，包括待标定激光雷达、移动平台和辅助定位装置。

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；

所述移动平台可直接选用机器人本体或其它定制平台结构，其上固定安装待标定激光雷达和辅助定位装置；

所述辅助定位装置参考了专利“ZL201320006110.X”所公开的结构，其中支架两端分别安装可垂直照射地面激光光源，并保证两激光光源以激光雷达探测中心对称。

一种变电站巡检机器人定位导航用二维激光雷达标定方法，包括以下步骤：

(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(如图3中所示)且周边地面平坦，配置激光雷达相邻两次距离探测的角度间隔为α；

(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，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)，如图3中OG所示；之后选取与k相邻两个测距均值和如图3中OE和OF所示。据图3几何分析，计算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为：

其中，H₁，H₂和H₃分别对应图3中由三角形OEG、OFG和OEF计算得到的高OH长度，如下：

(5)以辅助定位装置两激光光源在地面形成定位点为参考点，利用高精度距离测量工具分别测量这两点与障碍物表面最短距离(垂直距离)L_A和L_B，如图3中AD和BC所示。根据图3几何分析，可得激光雷达探测中心与所选障碍物表面垂直距离的传感器外部测量值L(即图3中所示直角梯形ABCD的中位线OH长度)为：

(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发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种变电站巡检机器人定位导航用二维激光雷达标定装置，其特征是：包括具有行走机构的移动平台，所述移动平台的轴心线上设置有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的激光雷达，移动平台上穿过激光雷达的圆心且与移动平台的轴心线垂直的位置两侧对称设置有可垂直照射地面的激光光源，并保证两激光光源以激光雷达探测中心对称。

2.如权利要求1所述的一种变电站巡检机器人定位导航用二维激光雷达标定装置，其特征是：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，所述移动平台的地面对应位置上设有坐标纸。

3.一种基于权利要求1或2所述的装置的标定方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)在机器人运行环境中选择标定用障碍物，配置激光雷达以一定角度间隔进行相邻两次距离探测；

(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)采集若干组激光雷达测距数据，在每组数据中截取对应到障碍物相同探测方向上的多个数据，并求取每个探测方向上测距数据的均值；

(4)选择均值最小值，选取与其相邻的两个测距均值，根据选取的数值，计算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；

(5)以两激光光源在地面形成定位点为参考点，分别测量这两点与障碍物表面最短距离，确定激光雷达探测中心与所选障碍物表面垂直距离的传感器外部测量值；

(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，根据其建立传感器内部测量值与传感器外部测量值的线性关系；

(7)根据求得的线性关系，计算激光雷达测距数据的标定参数，根据标定参数对激光雷达的输出数据进行标定参数校正，得到校正值。

4.如权利要求3所述的标定方法，其特征是：所述步骤(1)中，保证障碍物具有与地面垂直的平整表面，且周边地面平坦。

5.如权利要求3所述的标定方法，其特征是：所述步骤(4)中，测距数据均值中选择最小值k为该最小值的索引，选取与k相邻两个测距均值和

6.如权利要求3所述的标定方法，其特征是：所述步骤(4)中，根据三个选择的测距数据均值和激光雷达相邻两次距离探测的角度，计算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。

7.如权利要求3所述的标定方法，其特征是：所述步骤(5)中，激光雷达探测中心与所选障碍物表面垂直距离的传感器外部测量值为两激光光源在底面形成定位点与障碍物表面最短距离之和的一半。

8.如权利要求3所述的标定方法，其特征是：所述步骤(7)中，传感器内部测量值R与传感器外部测量值L的线性关系为：

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，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：

$\hat{r}=a*r+b.$