救援機(jī)器人控制系統(tǒng)及信息處理研究.pdf

1、地震、海嘯、火災(zāi)以及戰(zhàn)爭等災(zāi)難發(fā)生后，災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境非常復(fù)雜，救援工作的開展十分困難。同時(shí)復(fù)雜的災(zāi)后現(xiàn)場又具有很大的危險(xiǎn)性，時(shí)刻威脅著救援人員以及受困人員的生命安全。而救援機(jī)器人可以輔助或者直接代替救援人員在災(zāi)難現(xiàn)場實(shí)施救援活動(dòng)，從而可以將救援效率提高。因此，對救援機(jī)器人的技術(shù)研究已經(jīng)成為智能機(jī)器人在實(shí)際領(lǐng)域的重點(diǎn)應(yīng)用之一。
　　本論文針對參加RoboCup Rescue比賽的履帶式救援機(jī)器人，兼顧實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一套以飛思卡爾MC

2、9S12XS128微控制器為控制核心的救援機(jī)器人控制系統(tǒng)，并對信息處理工作進(jìn)行了研究。其中，控制系統(tǒng)主要是對硬件平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的姿態(tài)控制；信息處理工作主要是對激光雷達(dá)數(shù)據(jù)用于環(huán)境建圖進(jìn)行了研究，通過實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確地建立了環(huán)境地圖，證明了建圖算法的可行性。本論文的主要工作如下：
　　首先，根據(jù)比賽需要確定本控制系統(tǒng)以履帶式救援機(jī)器人為載體，并根據(jù)機(jī)器人的基本需求對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的型號(hào)進(jìn)行選取，包括主驅(qū)動(dòng)電機(jī)選取

3、、主臂電機(jī)選取和輔助臂電機(jī)選取。
　　其次，結(jié)合救援機(jī)器人的功能需求、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)特性和控制系統(tǒng)的可行性分析，確定了基于PC的上、下位機(jī)分層式控制系統(tǒng)的總體方案。上位機(jī)負(fù)責(zé)傳感器信息融合、環(huán)境地圖構(gòu)建以及視頻數(shù)據(jù)接收與顯示，下位機(jī)負(fù)責(zé)激光雷達(dá)、M Ti等數(shù)據(jù)的采集和傳輸，上下位機(jī)分工明確，提高了控制系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。
　　根據(jù)控制系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)的整體方案，對機(jī)器人控制系統(tǒng)和

4、信息處理系統(tǒng)的硬件平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括以飛思卡爾MC9S12XS128微控制器為控制核心的底層控制電路、視頻通訊系統(tǒng)和建圖系統(tǒng)，并在硬件基礎(chǔ)上完成了控制系統(tǒng)程序、信息處理系統(tǒng)接口程序和數(shù)據(jù)打包與發(fā)送程序設(shè)計(jì)以及建圖軟件的設(shè)計(jì)。其中，將建圖軟件分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分進(jìn)行了詳細(xì)研究，下位機(jī)部分使用串口方式采集激光雷達(dá)信息數(shù)據(jù)，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。在接收到激光雷達(dá)數(shù)據(jù)后，上位機(jī)運(yùn)行建圖程序，最終完成環(huán)境地圖創(chuàng)

5、建工作。
　　最后，對將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)用于環(huán)境建圖進(jìn)行了詳細(xì)研究。首先，介紹了激光雷達(dá)進(jìn)行環(huán)境建圖的原理，并給出了在傳感器誤差未處理的情況下的仿真建圖效果。然后，由于傳感器誤差的存在而提出了一種基于線段特征的環(huán)境地圖創(chuàng)建方法，將地圖創(chuàng)建過程分為特征提取和特征匹配兩個(gè)步驟。特征提取采用一種改進(jìn)的分開與合并特征提取算法，提取出激光雷達(dá)掃描的點(diǎn)集數(shù)據(jù)中的線段特征。將特征匹配分為轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)兩種救援機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式分別進(jìn)行討論，并對算法