用于移动机械的三维激光雷达

自主移动工作机器需要其周围环境的精确地图，以便能够高效，特别是安全地执行所需的任务。机器首先需要它们在工作现场的位置的粗略信息，在工作现场，几米的精度通常是可以接受的。这可以提供给基于gps导航的机器。然而，除此之外，他们还需要高分辨率的信息——精确到几厘米——关于他们与附近物体和环境的位置关系。由于机器在不断移动，这些信息需要不断更新。

在市场上可以找到一些3d激光雷达的商业解决方案，例如Sick[6]和Velodyne[10]等制造商，但在许多情况下，这些解决方案相当昂贵，特别是用于户外应用。因此，需要一个强大的低成本3-D激光雷达，特别是用于研究。本文提出了一种基于二维激光扫描仪、旋转二维扫描仪的电机驱动、与移动机器导航系统的数据融合的低成本三维激光雷达方案。二维激光扫描仪提供被测平面的距离和强度数据。电机驱动的控制器提供激光扫描仪的旋转角度和旋转速度。

通过将这些测量数据与导航数据相结合，可以创建点云，用于感知和绘制自主移动机器的环境。本文详细介绍了伺服系统的原理和控制系统结构，使有兴趣的读者更容易构建类似类型的系统。本文所研制的硬件是为GIM项目[2]中自主移动机的激光测绘而研制的。旋转激光扫描仪扫描机器的前场。激光地图与其他类型的地图一起用于路径规划和避障。

自主移动机器控制系统

绘图系统为其开发的工作机器是一种多用途轮式装载机的改进版本。机器的框架是原来的，但控制系统、电子设备和液压系统已经改变，以研究自主操作。这种自主机器的控制系统架构如图1所示。

硬件设备物理上位于两个不同的位置。可视化计算机和操作员计算机是板载计算机，它们通过网络交换机和无线局域网连接到板载网络交换机。车载计算机和外围设备也连接到车载交换机。机载计算机和外围设备遵循图1所示的设备体系结构。

底层控制装置结构包括执行机构的控制，如静压驱动泵、柴油机和机器的液压阀。它还负责惯性测量单元(IMU)、中央关节解析器、压力和其他一些传感器的数据记录。底层控制系统基于6台Epec嵌入式车载计算机，通过4个CAN网络与中层控制系统通信。CAN的实现遵循CANopen标准，实现了CAN网络的流畅管理和一致性处理。

以Matlab/xPC Target为操作系统，在工业嵌入式PC上实现了实时运动学全球卫星导航系统(RTK-GNSS)的导航、路径规划和网络接口等中层控制。伺服系统的控制(包括电机驱动和编码器测量)也通过CAN实现。在工业嵌入式PC机上实现了对设备结构的高级控制。PC通过UDP协议与中间层通信。该协议还用于二维激光扫描仪到中层控制的数据传输，保证了激光扫描仪数据的实时传输。

电动马达驱动和二维激光扫描仪

一般来说，存在两种不同类型的直流电机:有刷直流(DC)电机和无刷直流(BLDC)电机是最典型的电机。无刷直流电动机一般由三相导体驱动，中间电路的制动电压产生相位电压。在精确位置和速度的电机驱动中，无刷直流电动机较为常见。因此，在这种情况下，也使用了无刷直流电动机。采用陶瓷行星齿轮来降低输出转速，增加输出扭矩。

反馈传感器

精确且无延迟(或在实践中最小且持续)的旋转角度测量对于稍后实现与激光扫描仪距离数据的数据融合以创建3D点云数据至关重要。这比伺服的位置或速度控制的精度更重要，因为在这些情况下，一个小的错误或延迟不会反映在3-D点云计算中。

直流电动机通常使用内置的有刷换向器进行换向，但所选的无刷直流电动机需要一个外部传感器来检测转子的角度和速度以进行换向。换向类型取决于传感器类型，可以是无传感器换向、六步换向或正弦换向。无传感器换向根本不使用传感器，六步换向使用霍尔传感器，正弦换向使用例如增量编码器进行换向。正弦换向是最推荐的换向类型，如果应用程序需要在整个转速范围[7]上产生恒定的扭矩。

因此，选择了一个外部增量编码器来测量电动机的速度，以达到速度控制的目的。增量式编码器的测量是相对测量，参考转子的一定参考旋转角度。它不能直接用作旋转角度测量，因为每次传感器启动时都必须进行校准，即通过找到零位。

因此，选择外部绝对编码器来测量旋转角度，尽管绝对编码器通常比增量编码器更昂贵，因为绝对编码器的内部结构更复杂。由于与激光扫描仪距离数据的融合需要精确测量激光扫描仪的旋转角度，因此旋转角度的测量直接从负载侧进行。因此，可以避免行星齿轮的回隙造成的误差。

电机控制系统

在本文中，电机控制器的控制系统基于两个控制回路，如图2所示。之所以使用两个控制回路，是因为该系统包括一个行星齿轮，可以将反作用力带到控制下的系统。此外，反冲会导致控制系统的延迟，并可能对系统稳定性产生影响。行星齿轮是必需的，因为很难精确估计负载所需的扭矩。辅助控制回路的目的是稳定，定义阻尼和系统的动态行为。辅助控制回路中的传感器是一个增量式编码器，位于电动机的后端。主控制回路使用绝对编码器作为反馈传感器，并控制旋转的负载角度。

控制系统中的所有控制器都作为离散时间控制器实现于电机控制器。电流调节器为PI控制器，采样时间为10khz;速度控制器实现为具有速度和加速度前馈的PI控制器。位置控制器是一个具有速度和加速度前馈的PID控制器。

两个控制器的采样时间都是1khz。在控制系统中，速度前馈可以补偿由轴承等引起的速度依赖摩擦。加速度前馈在需要高加速度或负载惯性高的情况下提供更多的电流。电机控制器提供了现成的软件，可用于控制器调优。

二维激光扫描仪

电机驱动的目的是连续旋转2-D激光扫描仪。扫描仪类型—Sick lms111—是由最终用户为该硬件预定义的。表1给出了扫描器最相关的属性。激光扫描仪及其最终安装在自主机器车顶的位置如图3所示。图6中的测量说明了位置(左)和角速度(右)在一个运动周期中的表现。人们可以清楚地看到，随着时间的推移，轮廓是相当平滑的，只有一个小的角速度波纹存在。二维激光扫描仪的工作原理是基于飞行时间(TOF)。二维激光扫描仪给出距离和强度值作为被测平面的测量值。测量的距离值相对于二维激光扫描仪的旋转镜，对于每个测量点，也可以得到强度值[6]。

三维激光扫描仪的硬件和软件

基于仿真的系统级需求定义为:运动范围100°，整个运动范围视场140°，最大转速40°/s。电机负载的总质量约为2.3 kg，负载惯性的计算是基于这个质量，激光扫描仪的尺寸，并假设质量分布均匀。基于这些数据，选择了Maxon EC-max 30作为电机驱动和行星齿轮。电机参数如表2所示。

电动机驱动器包含一个行星齿轮，因此电动机控制器必须支持两个控制回路。在转速环中，采用了每转1000次(CPT)的增量编码器和索引通道。在位置控制回路中，选择了16位分辨率的单圈绝对编码器。并联稳压器的目的是防止电流回流到电源。回流电流会引起电源输出电压升高。表3展示了实现电动马达驱动所需的所有组件。

硬件的机制由两个不同的单元组成。所述控制单元包含与电动机控制器密切相关的所有组件，所述旋转单元包含与电动机和传感器密切相关的所有组件。在这两个单元之间只有电动机和传感器的接线。电机控制器的情况没有提供足够的保护，以适应苛刻的环境;因此，该案件是改进了一个额外的铝案件。这种铝制外壳易于移动，可以安装在任何移动机器上。这个带有面板连接器的控制单元如图4所示。

二维激光扫描仪由滑动轴承从两侧支撑。这些滑动轴承在图4中标记为黄色。滑动轴承支撑机械结构，使2-D激光扫描仪的轴向运动是禁止的。滑动轴承的另一个用途是承受径向载荷。滑动轴承的材料是黄铜合金和轴材料对抗这种黄铜合金是Hydax 15钢。

机械结构和制造工艺可能会引起轴向偏差，因此需要适合轴向偏差的部件。二维激光扫描仪两侧的机械联轴器使这种轴向错位装配，并由电机和行星齿轮产生机械联轴器正向旋转运动和转矩。机械联轴器与行星齿轮的轴和安装补丁的轴相吻合，如图4的左侧所示。此外，另一个机械耦合安装补丁的轴和绝对编码器的轴在右侧。

移动机床的控制系统采用中层控制。电机驱动和二维激光扫描仪由一个较小的控制单元控制，如图4所示，该控制单元集成在现有的控制系统中。所开发软件的执行遵循图5所示的流程图。初始化阶段对电机控制器和二维激光扫描仪进行参数化，启动设备，整个系统进入等待状态。在等待状态下，硬件等待来自控制系统的命令。

在二维激光扫描仪初始化阶段，设置视场和角度分辨率。在电机控制器初始化阶段，将状态机设置为正确的状态，并将周期SYNC设置为CAN。此外，该软件被设置为接收电机控制器的旋转角度和速度数据。还实现了心跳接收。

硬件控制系统实现两种工作模式。“定位驱动”根据给定的参数驱动二维激光扫描仪到一定的角度，“角度扫描”根据给定的参数使二维激光扫描仪在一定的角度之间旋转。两种工作模式都使用电机控制器的内部工作模式“剖面位置模式”[7]。图6给出了电机驱动的基本验证测量。

移动机上网络的实现基于CAN网络和以太网。所开发的硬件利用两种网络传输测量数据。因此，测量数据必须以某种方式同步到时域。时间同步的一种方法是时间戳。各种设备可以为测量数据添加时间戳。例如，当设备将测量数据发送到控制系统时，二维激光扫描仪和电机控制器可以为测量数据添加时间戳。基于这些时间戳，可以对测量数据进行时间同步。这就要求两个设备的时钟必须足够频繁地同步，以防止时间漂移。

有些设备没有为其测量数据提供时间戳，或者由于某些原因无法使用。在这种情况下，必须以其他方式安排时间同步。因此，需要对网络和协议的行为有更深入的理解。时间戳可以这样安排，即接收方在测量数据上添加时间戳。在这个上下文中，接收者是中层控制。

这个到达时间(TOA)在没有太多数据传输延迟和允许有小的时间同步错误时非常有用。使用该硬件，时间冲压是通过以下方式完成的:二维激光扫描仪以恒定的时间间隔发送测量数据，该时间间隔为25hz或50hz。测量数据通过以太网从二维激光扫描仪传输到中层控制。然后，中间层控件向CAN网络发送一个SYNC请求。电机控制器用包含旋转角度和旋转速度的数据响应这个同步请求。

根据数据表，二维激光扫描仪的输出是实时输出[6]。因此，我们假设二维激光扫描仪测量距离数据，并在测量后立即通过UDP将测量值发送到中层控制，网络延迟较低。假定在以太网网络中数据传输的延迟时间可以忽略不计。我们估计这个延迟时间小于1毫秒。

如果二维激光扫描仪发送的UDP包在即时txPC到达中层控制，那么最坏的情况是同步请求在即时txPC + 1ms从中层控制发送到CAN网络。电动机控制器对同步请求的响应非常快。根据CAN分析仪的测量，SYNC请求和电机控制器响应之间的时间小于500µs。

在这种情况下，我们假设电机控制器按照CANopen标准中的规定工作，这意味着对SYNC请求的反应在此测量时间内完成:读取传感器，将数据打包到PDO中，并将PDO发送回中层控制。如果在tSYNC时刻发送SYNC请求，则响应在tSYNC时刻+ 1ms内可用。当考虑到所有同步错误源时，总同步错误约为2毫秒，这是由数据传输延迟、程序执行步长和读取传感器到中层控制引起的。

二维激光扫描仪的内部操作也会影响同步误差。2-D激光扫描仪的内部旋转镜以25 Hz或50 Hz的频率旋转，因此一个周期需要40 ms或20 ms。包含测量数据的UDP包在实例tS时发送。该时间实例发生在旋转镜位于二维激光扫描仪无法测量的区域时。该区域在图7中被标记为蓝色。没有人能确切地知道这个时间实例。最后一个测量点是在时间实例tM上测量的，这个时间实例与时间实例tS有根本的不同。如果测量频率为50 Hz，视场为140度，这两个时间实例之间的时间差大约在5 ms到10 ms之间。

图7显示了二维激光扫描仪在此应用程序中使用的红色区域。图7中所示的时间实例tM是最后一次测量完成的地方。当考虑到上述所有误差源时，在最后一个测量点与二维激光扫描仪的旋转角度之间可以存在最大15 ms的时间同步误差。

测量距离值与旋转角度之间的时间差会导致时间同步问题，从而影响激光地图的质量，因为时间同步问题会导致运动同步问题。在这种情况下，运动同步问题意味着旋转镜的位置和二维激光扫描仪伺服器的旋转角度之间存在误差。因此，测量的范围值并不在测量的旋转角度所表示的位置。此误差与伺服角速度有关:角速度越大，误差越大。

使用这种硬件操作需要帧转换的时间同步。二维激光扫描仪的旋转镜与电机驱动的轴之间需要协调。相关的帧转换在[8]中计算，其中通过发布帧转换的不确定性也考虑了运动同步。开发的硬件需要校准。校准方法没有包括在本文中，但必须意识到这个问题。本案例的校准方法见[8]。

映射

提出的低成本三维激光雷达已用于自主移动机器的测绘和路径规划。该映射方法利用伺服角度和定位数据将激光距离数据转换为全局框架内的三维点云。每个点也被分配了协方差数据。每个点的协方差是从与每个协调转换相关的不确定性数据中计算出来的。为了将激光扫描仪的测量范围转换为全局框架中的3D点(x, y, z位置)，需要进行一系列的转换。这些转换中的每一个都有一些不确定性，并且这种不确定性沿着转换链传播(如图3所示)。

然后将点云处理为高度图，并进一步处理为障碍物图。在[8]中给出了映射方法和实验。图8显示了一个示例点云和相关的障碍地图。点云是用低成本的3D激光雷达系统创建的，该系统安装在图8所示的改进型多用途装载机上。GIM机器驱动的路径在点云数据中以红线表示。可以看到，点云数据中的红色区域在障碍图中被识别为被占领区域。生成的障碍图可以用于[9]中所示的路径规划。

Antti Kolu, Kimmo Rajapolvi, Mika Hyvönen, Petteri Multanen, Kalevi Huhtala坦佩雷工业大学(TUT)智能液压与自动化系。本文最初发表于自动化(CAN)通讯杂志．CiA是CFE媒体的内容合作伙伴。由制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．

参考文献

B. Broten和J.Collier。连续运动，户外2½网格地图生成使用一个便宜的点头2- d激光测距仪。2006年IEEE机器人与自动化国际会议论文集。奥兰多，佛罗里达州——2006年5月。

通用智能机器研究小组。

R. Ghabcheloo。， M. Hyvönen, J. Uusisalo, O. Karhu, J. Järä， K. Huhtala, 2009。轮式装载机的自主运动控制。ASME 2009动态系统与控制会议论文集(DSCC2009)，好莱坞，加州，美国8页，2009年10月12-14日。

O.斯坦姆和P.沃尔夫。高动态直流微型电机的原理与特性．

H.拉斯穆森。pid调节器自动调谐。

[6]病态传感器智能。病态LMS111-10100产品页面。

Maxon Motor Ag。EC-max 30产品目录。

[8] A. Kolu, M. Lauri, M. Hyvönen, R. Ghabcheloo, K. Huhtala。一种基于倾斜式二维激光扫描仪的容错定标定位方法。欧洲控制会议(ECC15)，林茨，奥地利，2015。

[9]崔智雄和K. Huhtala。Bezier曲线原语约束路径优化。智能机器人与系统(IROS 2014)。《芝加哥》，2014年，第246 - 251页。

[10]https://www.velodynelidar.com

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