自主探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與地圖創(chuàng)建算法研究.pdf

1、能夠在工作環(huán)境中不斷移動(dòng)并自主完成預(yù)定任務(wù)的移動(dòng)機(jī)器人在工業(yè)、民用以及軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。自主式移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境下工作，必須具有對(duì)未知環(huán)境進(jìn)行探測(cè)的能力。因此，為推動(dòng)自主式移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用化進(jìn)程，應(yīng)當(dāng)對(duì)未知環(huán)境下的自主探測(cè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究。 地圖創(chuàng)建是移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境下進(jìn)行自主探測(cè)所必須具備的能力，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，地圖創(chuàng)建已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)某晒?，但是現(xiàn)有的地圖創(chuàng)建技術(shù)仍然在傳感器信息處理、機(jī)器人定位、路徑規(guī)

2、劃以及探測(cè)策略等環(huán)節(jié)存在諸多問(wèn)題需要進(jìn)一步完善和解決。此外，對(duì)未知環(huán)境下的自主探測(cè)機(jī)器人的研究，是一個(gè)長(zhǎng)期而系統(tǒng)的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中不僅要對(duì)相關(guān)的理論和算法進(jìn)行研究，而且應(yīng)當(dāng)將研究結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化。因此，研究未知環(huán)境下的自主探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人，應(yīng)當(dāng)將移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的研制與理論研究工作并行進(jìn)行。 本文以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜未知環(huán)境下能夠全自主執(zhí)行各類(lèi)探測(cè)任務(wù)的、具有實(shí)用性的自主式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)為目標(biāo)，在總結(jié)

3、與分析已有工作的基礎(chǔ)上，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的研制和未知環(huán)境地圖創(chuàng)建兩個(gè)方面進(jìn)行了研究，主要的研究工作和貢獻(xiàn)如下： 1)設(shè)計(jì)了一個(gè)開(kāi)放性的移動(dòng)機(jī)器人控制器。從機(jī)器人控制器的體系結(jié)構(gòu)和控制器的軟硬件實(shí)現(xiàn)方式兩方面入手，首先提出了一種基于多智能體的混合式體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠融洽溝通慎思式模塊和反應(yīng)式模塊，使整個(gè)結(jié)構(gòu)既具有較強(qiáng)的應(yīng)急反應(yīng)能力，又具有遠(yuǎn)期規(guī)劃能力，而且還具有很好的易擴(kuò)展性；然后提出一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的控制器實(shí)現(xiàn)方

4、式，在硬件上利用CAN總線和藍(lán)牙通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分布式結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)功能，軟件則基于RTOS實(shí)現(xiàn)。這樣的結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人控制器具有開(kāi)放性、可靠性和計(jì)算實(shí)時(shí)性，從而確保了移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的性能。采用上述結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)出了一個(gè)開(kāi)放性移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)ATU-Ⅱ號(hào)，并且已經(jīng)在日常研究中得到成功的應(yīng)用。 2)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人地圖創(chuàng)建的效率問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了一種拓?fù)浣Y(jié)合幾何的高效探測(cè)策略。在保證機(jī)器人安全性和算法完整性的前提下，該策略在拓?fù)浜蛶缀蝺蓚€(gè)層面上

5、對(duì)可能的下一步觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行考察，以選取能夠?qū)崿F(xiàn)探測(cè)效率整體優(yōu)化的下一步觀測(cè)點(diǎn)。為了驗(yàn)證算法的性能，利用仿真實(shí)驗(yàn)將該策略與其他常用策略進(jìn)行了詳細(xì)的比較分析，比較結(jié)果說(shuō)明，與現(xiàn)有的探測(cè)策略相比，拓?fù)浣Y(jié)合幾何的探測(cè)策略在地圖創(chuàng)建的效率上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在室內(nèi)環(huán)境中優(yōu)勢(shì)尤為突出。 3)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人地圖創(chuàng)建過(guò)程中的路徑規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了一種新穎的路徑規(guī)劃算法——CO算法。該算法采用柵格模型，以代價(jià)傳播的形式進(jìn)行路徑規(guī)劃，能夠在一次規(guī)

6、劃中求得多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑，非常適用于機(jī)器人的地圖創(chuàng)建；CO算法在規(guī)劃過(guò)程中考慮了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束，可以規(guī)劃出滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的最優(yōu)路徑，這是大多數(shù)現(xiàn)有的路徑規(guī)劃算法無(wú)法做到的；此外，CO算法還具有很好的計(jì)算實(shí)時(shí)性，可以在線使用。 4)對(duì)基于超聲波傳感器的移動(dòng)機(jī)器人地圖創(chuàng)建問(wèn)題進(jìn)行了研究。針對(duì)超聲波傳感器用于地圖創(chuàng)建時(shí)存在的角分辨率低、易發(fā)生不良反射等固有缺陷，本文提出了一套準(zhǔn)確而高效的解決辦法。首先提出一種雙重表示的環(huán)