文献综述
随着机电一体化技术的不断发展，机器人已经出现在了各行各业中，取代人工完成一些重复枯燥或高危险的任务。目前，随着机器人智能化小型化程度的提高，机器人已经不局限于工业领域，甚至已经开始应用于安保领域[1]。巡逻机器人作为一种服务型机器人，能够提供以下的功能：自主定位和导航、移动和避障、视频监控、自动报警、人脸识别等。由于巡逻机器人工作环境的特殊性，一般巡逻机器人应具备以下特点：能够自由移动，避开行人和障碍物，同时具备一定重量以保证在受到撞击时不会倒地[2]。考虑到安保行业具有一定危险性，安保巡逻机器人的潜在市场需求巨大。定位导航系统对于巡逻机器人来说是极其重要的部分。我们希望以市场化为目标，设计为巡逻机器人设计一套自主定位导航系统。
在安保行业，现有的巡逻机器人产品为数不多，不能做到完全脱离人工辅助自主完成巡逻任务，并且造价昂贵，难以大规模普及[3]。造成巡逻机器人市场接受度不高的可能原因有以下几点：首先，国内巡逻机器人行业刚刚起步，在缺乏实践和参照的情况下难以考虑使用场景的特殊性，导致表现较差；其次，制造和维护成本较高，安保行业对于工作效率不是很注重，因此很多企业考虑成本问题宁愿雇佣人力；最后，人力在处理突发状况时比起机器人更有优势，因此机器人必须改进功能以在此方面超越人力或者在其他方面寻找优势。目前巡逻机器人的导航系统可以大致分为以下三种类型响应式导航，协调式导航和混合式导航[4]。响应式导航结构简单，灵活性、应用性和效率良好，但这也造成了其准确性方面的欠缺[5]；协调式导航在目标导向、优化运作和任务学习方面表现出色，但是灵活性和效率非常差。混合式导航综合了前两者的优点，最适合应用于当今的巡逻机器人导航系统。
目前常用的定位方法有GPS定位、双目摄像头定位和激光定位等，GPS定位最初源于军方科技，目前已经成熟，开发难度较低。双目摄像头需要视觉匹配，算法难度相当大[6]，同时单摄像头往往容易出现目标误判和缺漏[7]；而用激光器静态定位法替代则可以有效降低开发难度和成本[8]。
国内在巡逻机器人这一块刚刚起步，实际环境中应用尚且不多。具有代表性的有应用于尖山变电站的智能巡检机器人“小白”，如图1.1所示。它的行进路线主要为围绕变电站内的水泥路进行巡逻，自动返回充电。因此要求机器人能够精确定位及导航，其主要定位方法为GPS定位。这种定位方法稳定性高，适合用于变化性低的定位环境。缺陷在于需要通过与定位卫星进行信号交流来定位自身，延迟和偏差较大，难以满足一些对精确性和实时性要求较高的场合[9]。无法检测到前方的障碍，难以应用于变电站以外偶然因素较多的场合[10]。
以美国、日本为首的一些发达国家在巡逻机器人方面技术已经较为成熟。例如日本的Tmsuk公司和三洋电机公司[11]。知名的案例有美国硅谷knightscope公司研发的巡逻机器人，如图1.2所示。该机器人利用GPS系统、Wi-Fi和激光传感器来自我定位[12]。附加了激光传感器的优点在于能够及时发现前方的障碍物，同时提高定位精度。这大大提高了巡逻机器人在人流密集的场合的通用性。但是缺点在于造价
和技术要求都比较高，因此该机器人的产量较低。
受到Knightscope机器人的启发，我们决定利用360度激光雷达定位结合GPS系统来设计出一套兼具精确性、即时性和通用性的巡逻机器人导航系统。激光雷达的定位原理主要为通过不断扫描周围环境，采集距离信息和角度信息，并实施对比来定位自身位置。
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