激光技术论文知网

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《中国健康月刊》编辑部正在征稿中

基于激光雷达的SLAM和路径规划算法研究与实现

本文仅供学习使用，并非商业用途，全文是针对哈尔滨工业大学刘文之的论文《移动机器人的路径规划与定位技术研究》进行提炼与学习。论文来源中国知网，引用格式如下： [1]刘文之. 基于激光雷达的SLAM和路径规划算法研究与实现[D].哈尔滨工业大学,2018.

相关坐标系转换原理已经在前一篇文章写完了，直接上转换方程。

这里他的运动模型选择的是基于里程计的运动模型，还有一种基于速度的运动模型，其实都差不多，整体思想都一样。里程计是通过计算一定时间内光电编码器输出脉冲数来估计机器人运动位移的装置，主要是使用光电码盘。根据光电码盘计算出此时轮子的速度，然后通过已知的轮子半径来获得单位时间 每个轮子 的位移增量。

高等数学可知单位时间位移增量就是速度，对速度在一定时间上进行积分就得到这一段时间所走过的路程。

根据上图，我们可以求出来机器人航向角角速度、圆弧运动半径和机器人角度变化量，由此可以解的机器人在当前时刻的位姿。

实际上也是有误差，所以单独依靠里程计会与实际结果产生较大误差，所以必须引入其他的外部传感器对外部环境的观测来修正这些误差，从而提高定位精度。

首先肯定需要将激光雷达所测得的端点坐标从极坐标、机器人坐标中转换到世界坐标中。

这张略过，暂时不需要看这个

路径规划算法介绍：

因为该算法会产生大量的无用临时途径，简单说就是很慢，所以有了其他算法。

了解两种代价之后，对于每一个方块我们采用预估代价与当前路径代价相加的方法，这样可以表示每一个路径点距离终点的距离。在BFS搜索过程的基础上，优先挑选总代价最低的那个路径进行搜索，就可以少走不少弯路。（算法讲解 ）

在局部路径规划算法之中，我们选用DWA算法（dynamic window approach），又叫动态窗口法。动态窗口法主要是在速度(v, w)空间中采样多组速度，并模拟机器人在这些速度下一定时间内的轨迹。在得到多组轨迹后，对这些轨迹进行评价，选取最优的轨迹所对应的速度来驱动机器人运动。 state sampling就是按照之前给出的全局路径规划，无论是Dijkstra还是A* 都可以方便的得到state sampling，DWA算法所需要提前建立的action sampling有两种：

但是无论是什么情况，上述所做的工作就是把机器人的位移转化到世界坐标中来，而不是机器人坐标系。速度采样结束之后，只需要对小车的轨迹进行评判，就可以得到最优解了。下面介绍速度采样的办法。

对速度进行采样一般有以下三个限制：

当确定了速度范围之后，就需要根据速度分辨率来对小车速度离散化，在每一时刻将小车在不同直线速度角速度组合下所即将要行驶的距离都可视化出来。

其中每一条轨迹都是很多小直线连接起来的。

需要用评价函数来对上述轨迹进行选择，选择最适合的轨迹

最后为了让三个参数在评价函数里所发挥的作用均等，我们使用归一化处理来计算权重。

算法流程整体如下：

激光加工技术论文

目 录
一、激光加工的起源和原理-------------------------------------------------------5
二、激光加工的特点---------------------------------------------------------------5
三、激光加工的应用---------------------------------------------------------------6
四、激光的发展趋势---------------------------------------------------------------7
五、结论-----------------------------------------------------------------------------8
六、致谢-----------------------------------------------------------------------------9

现代制造技术特种加工
---激光加工
1、激光加工的起源和原理
随着科学技术的发展和社会需求的多样化，产品的竞争越来越激烈，更新换代的周期也越来越短。为此，要求不但能根据市场的要求尽快设计出新产品，而且能在尽可能短的时间内制造出原型，从而进行性能测试和修改，最终形成定型产品。而在传统制造系统中，需要大量的模具设计、制造和调试等工作，成本高，周期长，已不能适应日新月异的市场变化。为了提高研发和生产速度，快速而精确地制作出高质量、低成本的模具和产品，能对市场变化做出敏捷响应，人们作了大量的研究和探索工作。随着工业激光器价格的不断下降和工业激光加工技术的日益成熟，给模具制造和产品生产工艺带来了重大变革
激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。
2、激光加工的特点
激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势：
2.1由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。
2.2它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。
2.3激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。
2.4激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有影响或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。
2.5它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。
2.6由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法。
2.7使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。
3、激光加工的应用
激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的。激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各种材料。用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、焊接、热处理等。 某些具有亚稳态能级的物质，在外来光子的激发下会吸收光能，使处于高能级原子的数目大于低能级原子的数目——粒子数反转，若有一束光照射，光子的能量等于这两个能相对应的差，这时就会产生受激辐射，输出大量的光能。激光加工的应用主要有以下几个方面：
3.1、激光打孔
采用脉冲激光器可进行打孔,脉冲宽度为0.1～1毫秒,特别适于打微孔和异形孔,孔径约为0.005～1毫米。激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等工件的加工。
3.2、激光切割、划片与刻字
在造船、汽车制造等工业中,常使用百瓦至万瓦级的连续CO2激光器对大工件进行切割,既能保证精确的空间曲线形状,又有较高的加工效率。对小工件的切割常用中、小功率固体激光器或CO2激光器。在微电子学中，常用激光切划硅片或切窄缝，速度快、热影响区小。用激光可对流水线上的工件刻字或打标记，并不影响流水线的速度，刻划出的字符可永久保持（图1）。
图1激光刻字
3.3、激光微调
采用中、小功率激光器除去电子元器件上的部分材料，以达到改变电参数（如电阻值、电容量和谐振频率等）的目的。激光微调精度高、速度快，适于大规模生产。利用类似原理可以修复有缺陷的集成电路的掩模，修补集成电路存储器以提高成品率，还可以对陀螺进行精确的动平衡调节。
3.4、激光热处理
用激光照射材料，选择适当的波长和控制照射时间、功率密度，可使材料表面熔化和再结晶，达到淬火或退火的目的。激光热处理的优点是可以控制热处理的深度，可以选择和控制热处理部位，工件变形小,可处理形状复杂的零件和部件,可对盲孔和深孔的内壁进行处理。例如，气缸活塞经激光热处理后可延长寿命；用激光热处理可恢复离子轰击所引起损伤的硅材料。
激光加工的应用范围还在不断扩大，如用激光制造大规模集成电路，不用抗蚀剂，工序简单,并能进行0.5微米以下图案的高精度蚀刻加工，从而大大增加集成度。此外，激光蒸发、激光区域熔化和激光沉积等新工艺也在发展中。
3.5、激光焊接
激光焊接强度高、热变形小、密封性好，可以焊接尺寸和性质悬殊，以及熔点很高(如陶瓷)和易氧化的材料。激光焊接的心脏起搏器，其密封性好、寿命长，而且体积小。
4、激光的发展趋势
激光加工用于再制造业和应用于其他制造业一样，有其不可替代的优点，并优于其它加工技术。激光加工用于再制造业是由相变硬化发展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂层发展到复合涂层及陶瓷涂层，从而使得激光表面加工技术成为再制造的一项重要手段。它主要是采用5KW~10KWCO2高功率激光器及其系统。 与国际上激光加工系统相比，我国的激光加工系统差距甚大，仅占全球销售额的4%左右。主要表现为：高档激光加工系统很少，甚至没有；主力激光器不过关；微细激光加工装备缺口较大；而这些领域我国的生产 加工企业正在积蓄力量稳步进入，国内应用市场有很大发展空间。预测今后2-3年内，我国激光加工销售额将会由2008年的35亿人民币上升翻一倍，也就是说会达到70亿元产值。 国内各类制造业接受了激光加工技术，它可使他们的产品增加技术含量，加快产品更新换代，为适应21世纪高新技术的产业化、满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性能光源势在必行。目前正在积极研制超紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特征的激光，尤其是能适应微制造技术要求的激光光源更是倍受关注，并已形成国际性竞争。
5结论
本文对激光加工的原理、起源、应用、发展趋势等做了详细的介绍，并结合激光加工等常见的问题作出分析，对激光加工工艺的理解有一定的帮助。

参考文献
[1]刘晋春、赵家齐、赵万生.特种加工（第4版）[M].机械工业出版社，2007.
[2]宋威廉，激光加工技术的发展[M].北京：机械工业出版社，2008.
[3]赵万生.特种加工技术[M].北京：机械工业出版社，2004.
[4]张辽远.现代加工技术[M].北京：机械工业出版社，2002.
[5]刘振辉，杨嘉楷.特种加工[M].重庆：重庆大学出版社，1991.