面向煤礦井下探測(cè)的多節(jié)履帶式機(jī)器人及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,在自然災(zāi)難或人為災(zāi)害發(fā)生后的廢墟救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)將不再全部依靠人類(lèi)親自進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施搜救工作。災(zāi)難搜救探測(cè)機(jī)器人的出現(xiàn)降低了搜救人員在災(zāi)難廢墟中二次傷害的發(fā)生,具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。限于目前的技術(shù)水平,探測(cè)機(jī)器人很難完全自主地完成所有的作業(yè)任務(wù),遙控為主、局部自主是目前合理的控制模式。在這種模式下,操作人員會(huì)輔助機(jī)器人完成一些復(fù)雜的任務(wù),而機(jī)器人在某些基礎(chǔ)行為上也具有一定的自主性。本文首先研制了一臺(tái)用于煤礦井下環(huán)境搜索的多節(jié)

2、履帶式移動(dòng)機(jī)器人,然后針對(duì)為實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人具有一定程度的局部自主能力所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,包括基于超聲和單目視覺(jué)系統(tǒng)的障礙物及自身運(yùn)動(dòng)的感知研究、多節(jié)履帶式機(jī)器人的定位研究以及該類(lèi)型機(jī)器人的一些基本行為控制方法和控制策略研究。
　　針對(duì)煤礦井下的特殊環(huán)境,設(shè)計(jì)了一種多節(jié)履帶式移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人采用正壓防爆設(shè)計(jì),四周包覆履帶,具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力,能夠在翻滾時(shí)繼續(xù)進(jìn)行搜索任務(wù);機(jī)器人為四節(jié)串聯(lián),串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)具有俯仰和偏航兩

3、個(gè)主動(dòng)自由度,這種設(shè)計(jì)使機(jī)器人具有較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力,能夠攀爬較高的障礙物。機(jī)器人上配置了超聲傳感器、視覺(jué)傳感器、姿態(tài)傳感器、霍爾傳感器等多種傳感器,為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的局部自主和導(dǎo)航提供了硬件條件。針對(duì)該機(jī)器人多節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于CANOpen總線(xiàn)協(xié)議的分布式控制系統(tǒng),在傳感器集中配置的兩節(jié)中開(kāi)發(fā)了用于傳感器數(shù)據(jù)處理的MicroCANOpen子節(jié)點(diǎn);開(kāi)發(fā)了機(jī)器人單目視覺(jué)系統(tǒng)用于視覺(jué)導(dǎo)航應(yīng)用;設(shè)計(jì)了基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通訊節(jié)點(diǎn)用于與上

4、位機(jī)通訊,通訊鏈上設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)中繼節(jié)點(diǎn),可以保證在遠(yuǎn)距離或有遮擋環(huán)境下的通訊可靠性;為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了混合式控制體系結(jié)構(gòu)框架,該框架為完成搜索任務(wù)目標(biāo),把感知、建模、規(guī)劃、決策和行動(dòng)等多個(gè)功能模塊進(jìn)行了有機(jī)、高效的結(jié)合;設(shè)計(jì)了針對(duì)煤礦井下環(huán)境探測(cè)的傳感器系統(tǒng),可以探測(cè)甲烷、CO、溫度以及濕度等重要環(huán)境參數(shù);搜索環(huán)境的高度非結(jié)構(gòu)化與未知性決定了機(jī)器人行為的復(fù)雜性,為設(shè)計(jì)與快速驗(yàn)證這些行為建立了機(jī)器人仿真系統(tǒng),通過(guò)該系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)器人的行為特性進(jìn)

5、行快速仿真分析,為實(shí)體機(jī)器人的控制算法研究提供依據(jù)及仿真驗(yàn)證平臺(tái)。該機(jī)器人系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有良好的搜索性能。
　　受機(jī)器人結(jié)構(gòu)的限制,機(jī)器人只裝配了單目視覺(jué)系統(tǒng)。視覺(jué)傳感器提供了機(jī)器人上裝配的傳感器中最為豐富的信息量,是機(jī)器人完成局部自主與導(dǎo)航不可缺少的信息源。由于搜索場(chǎng)所通常是光線(xiàn)昏暗的環(huán)境,視覺(jué)傳感器采用具有紅外功能的CCD攝像頭,并針對(duì)紅外圖像噪聲大亮度低的特點(diǎn),建立了基于Contourlet變換的圖像預(yù)處理

6、算法,有效地消除了噪聲,并對(duì)圖像亮度進(jìn)行了平衡;提出了基于近前下方地平假設(shè)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法,該算法通過(guò)對(duì)近前下方地面強(qiáng)角點(diǎn)光流的計(jì)算對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行有效估計(jì),為機(jī)器人定位提供了一種信息源;結(jié)合機(jī)器人的多節(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),基于超聲測(cè)距及對(duì)視覺(jué)圖像的光流場(chǎng)發(fā)散性分析對(duì)視景范圍內(nèi)的障礙物進(jìn)行檢測(cè),建立視景障礙物圖,為機(jī)器人避障導(dǎo)航提供依據(jù)。
　　航位推算,也稱(chēng)為相對(duì)定位,是機(jī)器人導(dǎo)航的基礎(chǔ)。通過(guò)機(jī)器人上裝配的微慣性傳感器建立捷聯(lián)慣性

7、導(dǎo)航系統(tǒng),用于短時(shí)間內(nèi)的姿態(tài)參考;建立了多節(jié)履帶式機(jī)器人的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)模型,對(duì)各種轉(zhuǎn)向模式進(jìn)行分析,提出了一種基于軌跡曲率與側(cè)偏角的航向估計(jì)方法,在此基礎(chǔ)上建立了多節(jié)履帶式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型;通過(guò)卡爾曼濾波器對(duì)捷聯(lián)慣性姿態(tài)參考系統(tǒng)進(jìn)行信息融合,通過(guò)無(wú)跡卡爾曼濾波器對(duì)視覺(jué)運(yùn)動(dòng)估計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行信息融合,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的相對(duì)定位。
　　行為級(jí)目標(biāo)自主是任務(wù)級(jí)目標(biāo)自主的基礎(chǔ),是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)局部自主的必要條件,機(jī)器人的行為便是完成這些目標(biāo)的相對(duì)獨(dú)立的功能模