【摘 要】
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激光雷达作为一种主动式扫描探测技术,可以快速获取周边环境的信息。随着激光雷达在机器人、无人驾驶等领域的广泛应用,国内外激光雷达市场迅速发展。鉴于目前市场上成熟的激光雷达产品存在价格昂贵、国外技术垄断和控制算法不开源等问题,本课题开展了激光雷达的设计研究工作。本文以移动机器人室内环境感知为背景,结合车载环境和实际应用需求,使用课题组自行研制的激光测距模块,设计了一种二维激光雷达扫描系统。设计的二维激
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激光雷达作为一种主动式扫描探测技术,可以快速获取周边环境的信息。随着激光雷达在机器人、无人驾驶等领域的广泛应用,国内外激光雷达市场迅速发展。鉴于目前市场上成熟的激光雷达产品存在价格昂贵、国外技术垄断和控制算法不开源等问题,本课题开展了激光雷达的设计研究工作。本文以移动机器人室内环境感知为背景,结合车载环境和实际应用需求,使用课题组自行研制的激光测距模块,设计了一种二维激光雷达扫描系统。设计的二维激光雷达与市场上同类型产品相比性能接近,控制算法开源,但成本降低了一半左右,具有较好的实用价值。论文的主要工作内容如下:（1）设计并搭建了二维激光雷达扫描系统。给出二维激光雷达扫描系统的整体设计方案,对扫描系统的各模块硬件进行了选型与设计,完成激光雷达集成结构的设计;研究了如何在STM32F103ZET6控制芯片和扫描电机之间建立CAN总线通信的问题,对STM32F103ZET6控制芯片和扫描电机组成的CANopen网络进行了配置,在CANopen协议框架下实现了控制芯片对扫描电机的控制。（2）完成二维激光雷达扫描测试实验并设计了激光雷达的上位机软件。编写二维激光雷达样机的控制及数据处理程序,实现点云数据的数据读取、坐标变换、去噪滤波等功能,在此基础上对两种场景进行扫描成像实验,得到了能反映真实实验场景的三维点云数据,并对其数据处理前后进行了分析对比;在Visual Studio 2017平台下基于C#语言设计了二维激光雷达上位机,并完成了上位机扫描测试实验与误差分析。（3）对移动机器人进行建模,在移动机器人系统下构建其里程计运动模型和激光雷达观测模型,并选择栅格地图作为本课题的地图表达模型,将栅格地图的更新过程进行理论推导,并对室内移动机器人SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）常用的Gmapping开源算法进行了理论推导。（4）基于ROS系统构建Gazebo仿真环境,使用Gmapping算法进行移动机器人地图构建的仿真实验;搭建Dash Go D1移动机器人真实环境测试平台,进行移动机器人激光SLAM构建环境地图试验,分析机器人的建图误差,实验结果表明使用该二维激光雷达的机器人建图精度满足设计要求,充分验证了二维激光雷达的工程实用性。
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