一種基于激光導航的應急疏散與救援指揮機器人

王海琴

（青島職業技術學院，山東青島，266000）

引言

現有系統一般在固定地點安裝傳感器，通過GIS系統實現監控和應急疏散及救援指揮。但此方式成本高、位置固定、維護復雜、推廣難度大，難以實現全覆蓋應用，一旦出現線路損壞、通訊中斷等問題，有可能造成系統癱瘓。本文提出一種集成能力強的救援應急指揮設備，具有一定的市場推廣前景。

1 基于激光導航的應急疏散與救援指揮機器人

現有機器人一般采用搭載攝像頭的方案，其運動控制、圖像采集、傳輸控制器分立設置，如日本福島核電站救援工作中采用的機器人。此類機器人造價較高、制造難度大，對人工操作和數據傳輸速度要求高，且效率較低。本文采用樹莓派微型電腦作為處理器，具備PC機所有基本功能，相比傳統單片機、DSP等處理器，有更強的信息處理能力，能同時承擔機器人運動控制和地圖構建工作需求。且具有強大的傳感器搭載能力，可以作為應急疏散與救援指揮機器人開發平臺，根據災害及事故現場環境，進行二次開發，提高機器人環境適應性。

2 機器人設計原理

本文所研發的應急疏散與救援指揮機器人可進行與以下工作：（1）實現自主導航的機器人運動控制，并適應可視性差的現場狀況。（2）能流暢實現現場地圖構建與傳輸功能。（3）可擴展性強，具備二次開發能力，有強大的傳感器搭載能力，能夠探測有毒氣體、有穿透力強的聲光引導能力。

圖1 機器人原理圖

具體操作為，在樹莓派系統上移植機器人控制操作系統，實現對機器人的運動控制，配合激光測距雷達、里程計等，采用SLAM（即時定位與地圖構建）技術，實現機器人自主導航和地圖構建功能。同時實現地圖構建數據的處理、存儲與傳輸，救援人員可在遠程手持設備上查看地圖和圖像，便于開展救援決策、發送指揮指令，機器人搭載的聲光報警設備可引導被困人員撤離。

設計解決了以下關鍵技術：（1）機器人操作系統向樹莓派處理器的移植，實現樹莓派對機器人的運動控制和信息處理。（2）基于SLAM技術的地圖構建。（3）應急疏散及救援指揮路徑規劃問題。

2.1 操作系統的移植

綜合Turing OS和ROS機器人操作系統特性，本文采用主要支持Ubuntu系統的ROS操作系統。在樹莓派上安裝Ubuntu系統，再將ROS操作系統移植到Ubuntu系統中，調用相應功能包，實現機器人控制。將SLAM算法移植到樹莓派中的ROS操作系統，再綜合處理傳感器測得信息，實現即時定位與特征地圖構建。

將ROS操作系統移植到樹莓派上，相當于在PC機上進行ROS系統的操作，利用遠程控制或者編寫Shell文件可以使機器人隨時執行指令，實現了機器人的自主導航。

2.2 基于SLAM技術的地圖構建

地圖構建是應急疏散與救援指揮機器人的核心任務，需要解決的問題主要包括激光測距和即時定位、地圖構建等問題。

（1）激光測距

本文將雷達激光測距工具 RPLIDA移植到樹莓派的 ROS系統中，調用RPLIDAR的驅動和功能包，運行可視化工具rviz后即可獲得雷達掃描的圖形界面。

（2）機器人即時定位與地圖構建

本文用SLAM技術解決機器人即時定位和地圖構建問題。機器人通過重力加速度陀螺儀傳感器、激光雷達的配合來定位。某個環境特征相對機器人的位置信息Z(k)觀測方程如公式1所示：

其中xi和yi是某個環境特征位置的坐標，xvy(k)和xvx(k)為機器人的位置坐標。

公式2為機器人的運動模型，設當前時刻為i，下一時刻為i+1。對應位置的橫坐標為x(i)、x(i+1),縱坐標為y(i)、y(i+1),面向角為θ(i)、θ(i+1)。位移數據橫坐標為x(i)△,縱坐標為y(i)△,面向角為θ(i)△，?x(i)、?y(i)、?θ(i)是感應器測量時的誤差。

在進行地圖構建時，主要的步驟有特征提取、數據關聯、狀態估計、狀態更新以及特征更新等（如圖2所示）。得到機器人位置估計數據后，采用擴展卡爾曼濾波器(EKF)對環境信息進行更正，得出機器人準確位置。

圖2 基于SLAM技術的地圖構建流程圖

為保證機器人位置數據與測距單元數據的匹配性，采用插值方法對數據進行預處理，提高精度。在構圖時，需要將激光雷達當前采集的信息匹配拼接到原有地圖中，避免出現失真問題。

在確定所需提取的特征后，使用Spike方法尋找測距單元返回數據中相鄰數據差距超過一定范圍的點作為特征點。在定位過程中，得到路標方位信息后將其特征存儲在數據庫中，除非該特征已經出現了N次，不然將其清出數據庫。在得到新的傳感器信息后，將提取到的特征與數據庫中已經出現N次并且距離最近的特征關聯起來，最終實現自主導航與地圖構建功能。

2.3 應急疏散及救援指揮路徑規劃問題

本文實現了簡單的應急疏散和救援指揮路徑規劃功能，在地圖中構建2D或3D占據網格圖,根據障礙物位置和設定的膨脹系數形成膨脹成本圖。如圖3所示，圖中五邊形是機器人，紅色表示障礙物、藍色表示障礙物膨脹后區域。機器人為躲避障礙物不能碰到紅色區域，同時其中心點不可越過藍色邊線。

圖3 設定膨脹系數的路徑規劃效果圖

3 應用前景

本文設計的機器人自主導航和地圖構建功能，能在事故發生后代替人工進行應急疏散和救援指揮。在完成地圖構建與傳輸工作后，可接受人工指令，借助攝像頭進行現場細節查看，借助聲光指示設備，引導被困人員緊急疏散。且使用的處理器數據處理能力強，可作為基礎研發平臺，搭載不同類型傳感器開展二次開發，使其適應多種環境要求。本作品靈活便攜、供電簡單、不依賴公共通訊網絡，為研發復雜環境下基于激光導航的應急疏散與救援指揮機器人提供了良好的理論基礎和工程基礎，具有較好的實際意義和應用前景。

4 結束語

本系統以應急救援工作很難展開的背景為切入點，技術核心就是實現環境的探測與地圖構建。核心就在于完善一套能夠實現地圖構建與環境信息監測的平臺，從而為應急救援與指揮任務的開展奠定良好的基礎。

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