近海智能探測機(jī)器人軟硬件實(shí)現(xiàn)及導(dǎo)航算法研究.pdf

1、目前，智能機(jī)器人正在被廣泛應(yīng)用在搜索、援救、軍事戰(zhàn)爭、采礦、科學(xué)探索、法律執(zhí)行、醫(yī)療救護(hù)等一系列關(guān)系國計(jì)民生的關(guān)鍵領(lǐng)域。如今它們已不僅僅是一種工具，而是人類生活的助手、工作的搭檔，發(fā)揮著日益重要的作用。環(huán)境問題已經(jīng)成為當(dāng)今世界一個(gè)全球化問題，然而環(huán)境是否被污染、污染程度如何，都需要由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來評(píng)定，這就需要進(jìn)行現(xiàn)場觀測。在大范圍惡劣環(huán)境中，第二代機(jī)器人無法工作，監(jiān)測船也難以到達(dá)，此時(shí)就需要有一種智能探測機(jī)器人。 本文正是基于上述

2、需求，研究了近海智能探測機(jī)器人的軟硬件實(shí)現(xiàn)及導(dǎo)航算法。近海智能探測機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主避障、自主導(dǎo)航、錯(cuò)誤報(bào)警和自救等功能，同時(shí)工作人員擁有機(jī)器人優(yōu)先控制權(quán)，可以通過工作站發(fā)送指令控制機(jī)器人，以便在機(jī)器人無法做出判斷或遇到意外情況時(shí)給予指示，更好地完成全方位探測。 近海智能探測機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)軟硬件相結(jié)合的平臺(tái)。硬件系統(tǒng)包括：中央控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。聲納在本系統(tǒng)中發(fā)揮重要

3、作用，一方面，通過聲納可以探測深度信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)海底地形重建；另一方面，聲納可以識(shí)別障礙物，協(xié)助實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主避障。視覺傳感器將捕獲數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻舳丝刂葡到y(tǒng)(即機(jī)器人中心控制系統(tǒng))進(jìn)行處理，然后壓縮發(fā)送到工作站，在工作站可實(shí)現(xiàn)海底視覺地圖重構(gòu)。本文分模塊對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并給出部分電路的電路圖。軟件系統(tǒng)包括：操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件，操作系統(tǒng)是底層軟件，本系統(tǒng)中采用LINUX操作系統(tǒng)，通過對(duì)LINUX內(nèi)核剪裁，編譯適合本系統(tǒng)

4、的內(nèi)核；驅(qū)動(dòng)程序是軟硬件之間的橋梁，應(yīng)用程序通過驅(qū)動(dòng)程序才能訪問硬件設(shè)備；應(yīng)用軟件包括服務(wù)器端控制系統(tǒng)和客戶端系統(tǒng)，客戶端系統(tǒng)包括中央控制系統(tǒng)和各子系統(tǒng)應(yīng)用軟件。 智能機(jī)器人一個(gè)重要特征就是能實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，導(dǎo)航技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)完全自主的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導(dǎo)航指示信號(hào)類型、導(dǎo)航地域等因素不同，可將移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式分為航跡推算導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、地圖導(dǎo)航、主動(dòng)信標(biāo)導(dǎo)航、路標(biāo)導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和其它方式導(dǎo)航

5、。本系統(tǒng)采用GPS/DR(航位推算)組合導(dǎo)航，由于GPS精度限制，近海智能探測機(jī)器人定位精度只能達(dá)到十到二十米，為提高GPS定位精度，本系統(tǒng)將航位推算與GPS導(dǎo)航相結(jié)合。同時(shí)本文研究了UPF(無跡粒子濾波)算法，并對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)后運(yùn)用于GPS/DR導(dǎo)航，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中證明了算法有效。 本論文分五大部分對(duì)系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)及導(dǎo)航算法進(jìn)行了介紹。第一部分介紹了本課題的研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及本課題的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，第二部分介紹了近海智

6、能探測機(jī)器人的硬件架構(gòu)并詳細(xì)介紹了各個(gè)子系統(tǒng)的硬件選型及電路實(shí)現(xiàn)。第三部分介紹了系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，分三個(gè)層次介紹了軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。第四部分介紹了系統(tǒng)的導(dǎo)航算法，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中驗(yàn)證了算法有效性。第五部分對(duì)論文內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，并根據(jù)目前相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢、研究現(xiàn)狀做出展望。 作者參與了近海智能探測機(jī)器人硬件選型、電路圖繪制、PCB板繪制等工作；參與了嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核升級(jí)、驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、串口應(yīng)用程序設(shè)計(jì)等工作；研究了無跡粒子濾波，并對(duì)