自主探測移動機器人系統(tǒng)設(shè)計與地圖創(chuàng)建算法研究.pdf

1、能夠在工作環(huán)境中不斷移動并自主完成預定任務的移動機器人在工業(yè)、民用以及軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。自主式移動機器人在未知環(huán)境下工作，必須具有對未知環(huán)境進行探測的能力。因此，為推動自主式移動機器人的實用化進程，應當對未知環(huán)境下的自主探測機器人相關(guān)技術(shù)進行研究。 地圖創(chuàng)建是移動機器人在未知環(huán)境下進行自主探測所必須具備的能力，經(jīng)過多年的發(fā)展，地圖創(chuàng)建已經(jīng)取得了相當?shù)某晒乾F(xiàn)有的地圖創(chuàng)建技術(shù)仍然在傳感器信息處理、機器人定位、路徑規(guī)

2、劃以及探測策略等環(huán)節(jié)存在諸多問題需要進一步完善和解決。此外，對未知環(huán)境下的自主探測機器人的研究，是一個長期而系統(tǒng)的過程，在這個過程中不僅要對相關(guān)的理論和算法進行研究，而且應當將研究結(jié)果應用于實際的移動機器人系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化。因此，研究未知環(huán)境下的自主探測移動機器人，應當將移動機器人平臺的研制與理論研究工作并行進行。 本文以實現(xiàn)在復雜未知環(huán)境下能夠全自主執(zhí)行各類探測任務的、具有實用性的自主式移動機器人系統(tǒng)為目標，在總結(jié)

3、與分析已有工作的基礎(chǔ)上，對移動機器人平臺的研制和未知環(huán)境地圖創(chuàng)建兩個方面進行了研究，主要的研究工作和貢獻如下： 1)設(shè)計了一個開放性的移動機器人控制器。從機器人控制器的體系結(jié)構(gòu)和控制器的軟硬件實現(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式模塊，使整個結(jié)構(gòu)既具有較強的應急反應能力，又具有遠期規(guī)劃能力，而且還具有很好的易擴展性；然后提出一種基于現(xiàn)場總線與實時操作系統(tǒng)的控制器實現(xiàn)方

4、式，在硬件上利用CAN總線和藍牙通訊技術(shù)實現(xiàn)了分布式結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡功能，軟件則基于RTOS實現(xiàn)。這樣的結(jié)構(gòu)使得機器人控制器具有開放性、可靠性和計算實時性，從而確保了移動機器人系統(tǒng)的性能。采用上述結(jié)構(gòu)，開發(fā)出了一個開放性移動機器人平臺ATU-Ⅱ號，并且已經(jīng)在日常研究中得到成功的應用。 2)對移動機器人地圖創(chuàng)建的效率問題進行了研究，提出了一種拓撲結(jié)合幾何的高效探測策略。在保證機器人安全性和算法完整性的前提下，該策略在拓撲和幾何兩個層面上

5、對可能的下一步觀測點進行考察，以選取能夠?qū)崿F(xiàn)探測效率整體優(yōu)化的下一步觀測點。為了驗證算法的性能，利用仿真實驗將該策略與其他常用策略進行了詳細的比較分析，比較結(jié)果說明，與現(xiàn)有的探測策略相比，拓撲結(jié)合幾何的探測策略在地圖創(chuàng)建的效率上具有明顯的優(yōu)勢，在室內(nèi)環(huán)境中優(yōu)勢尤為突出。 3)對移動機器人地圖創(chuàng)建過程中的路徑規(guī)劃問題進行了研究，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，以代價傳播的形式進行路徑規(guī)劃，能夠在一次規(guī)

6、劃中求得多個目標點的最優(yōu)路徑，非常適用于機器人的地圖創(chuàng)建；CO算法在規(guī)劃過程中考慮了機器人的運動學約束，可以規(guī)劃出滿足機器人運動學約束的最優(yōu)路徑，這是大多數(shù)現(xiàn)有的路徑規(guī)劃算法無法做到的；此外，CO算法還具有很好的計算實時性，可以在線使用。 4)對基于超聲波傳感器的移動機器人地圖創(chuàng)建問題進行了研究。針對超聲波傳感器用于地圖創(chuàng)建時存在的角分辨率低、易發(fā)生不良反射等固有缺陷，本文提出了一套準確而高效的解決辦法。首先提出一種雙重表示的環(huán)