基于多傳感器的室內(nèi)移動機(jī)器人環(huán)境感知關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、室內(nèi)移動機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用前景，可以應(yīng)用于服務(wù)、娛樂、安檢等各個方面。室內(nèi)環(huán)境一般屬于比較復(fù)雜的動態(tài)環(huán)境，機(jī)器人在這樣的環(huán)境下運(yùn)行時，對動態(tài)環(huán)境的感知與響應(yīng)能力提出了更高的要求，其中最主要的是對運(yùn)動物體的跟蹤和避障。另外，在家庭等動態(tài)場合下運(yùn)動，機(jī)器人不可避免地受到移動物體的碰撞和用戶的觸碰，對這類環(huán)境作用的感知與響應(yīng)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)并與環(huán)境保持和諧的基礎(chǔ)。對室內(nèi)危險氣體泄漏和火情的探測則是安檢類機(jī)器人的一項重要功能，屬于移動機(jī)器

2、人對危險環(huán)境的感知范疇。這三項環(huán)境感知技術(shù)對于室內(nèi)移動機(jī)器人在各方面的應(yīng)用是至關(guān)重要的。
　　國內(nèi)外對這三個環(huán)境感知問題的相關(guān)方面也開展了一定的研究，但是在具體應(yīng)用中尚有不足。論文在國家863計劃的支持下，針對室內(nèi)移動機(jī)器人運(yùn)行所涉及到的上述三個環(huán)境感知問題，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，系統(tǒng)地開展了理論和實(shí)驗研究。
　　首先研制了 HR-I室內(nèi)移動機(jī)器人系統(tǒng)，作為機(jī)器人環(huán)境感知問題的研究平臺。根據(jù)移動機(jī)器人運(yùn)動靈活、支撐穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單的

3、要求，對支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了尺寸優(yōu)化。通過模塊化設(shè)計，在軟、硬件上集成了運(yùn)動環(huán)境感知、危險環(huán)境感知和運(yùn)動狀態(tài)感知需要的多種傳感器。為了提高機(jī)器人的多任務(wù)管理能力和靈活的響應(yīng)能力，在上、下位機(jī)控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于混合式體系結(jié)構(gòu)的框架建立機(jī)器人的控制系統(tǒng)。
　　針對快速變化的動態(tài)環(huán)境，采用高效、準(zhǔn)確的激光測距儀實(shí)現(xiàn)運(yùn)動環(huán)境感知。在建立傳感器感知模型的基礎(chǔ)上，參照柵格法提出了動態(tài)極坐標(biāo)圖環(huán)境建模方法。將環(huán)境物體描述為直線和弧特征，在數(shù)據(jù)分割

4、的基礎(chǔ)上，利用遞歸迭代直線擬合方法分離出線段特征。為了簡化環(huán)境描述，將障礙物簡化為以三個極坐標(biāo)點(diǎn)表示，并將密集障礙物合并成群，進(jìn)一步簡化了障礙環(huán)境的描述。動態(tài)極坐標(biāo)圖環(huán)境模型不但減少了數(shù)據(jù)的存儲、處理工作量，而且提高了機(jī)器人基于行為控制的反應(yīng)能力。
　　對動態(tài)障礙物的跟蹤是實(shí)現(xiàn)良好避障的基礎(chǔ)。針對機(jī)器人與運(yùn)動障礙的相對運(yùn)動變化較大的情況，提出了考慮運(yùn)動補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)障礙物跟蹤方法，通過建立機(jī)器人的位姿更新模型及其協(xié)方差更新模型，將機(jī)器

5、人的運(yùn)動狀態(tài)引入到基于擴(kuò)展卡爾曼濾波理論的障礙跟蹤模型中，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動目標(biāo)當(dāng)前狀態(tài)的估計和運(yùn)動趨勢的預(yù)測。為了提高避障的靈活性，采用分層避障策略，并在預(yù)測碰撞時間和位置的基礎(chǔ)上提出了動態(tài)障礙物的避障策略。
　　針對在動態(tài)環(huán)境下，機(jī)器人不可避免地受到碰撞和敲打的情況，采用二維加速度計實(shí)現(xiàn)對碰撞的感知。為了分析機(jī)器人的碰撞振動特點(diǎn)，首先研究了機(jī)器人在靜態(tài)受到碰撞時引起的振動信號特性。通過對振動信號序列合力的大小和方向分析，提出了基于規(guī)則

6、的碰撞方向確定方法。根據(jù)碰撞方向檢測能力和機(jī)器人的響應(yīng)要求提出了分區(qū)響應(yīng)策略，對碰撞采取避讓和順應(yīng)反應(yīng)方法。然后，針對機(jī)器人運(yùn)動時，自身的速度變化、機(jī)體振動和路面傾斜狀態(tài)都會產(chǎn)生加速度信號，與碰撞信號相混合問題，設(shè)計了動態(tài)碰撞檢測窗口，在時域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對動態(tài)碰撞振動信號的實(shí)時識別和提取，并基于Motor Schema行為融合理論建立了兼顧障礙和運(yùn)動目標(biāo)的動態(tài)碰撞響應(yīng)策略。
　　機(jī)器人在氣體危險環(huán)境中巡檢時，危險源搜索一直是個比較困難的

7、問題。在分析了氣體傳感器的響應(yīng)滯后現(xiàn)象、建立傳感器感知模型的基礎(chǔ)上，提出了基于視覺和氣體傳感器的危險點(diǎn)直接搜索策略和基于模糊邏輯的危險區(qū)域逐步搜索策略，提高了搜索效率，克服了傳感器響應(yīng)滯后及單純氣羽搜索的不足。逐步搜索策略充分利用氣體擴(kuò)散和危險氣源特征的先驗知識，對于隨機(jī)分布的危險源，通過模糊邏輯判斷可疑區(qū)域的危險性，根據(jù)危險程度逐步搜索，靠近危險源。對于火災(zāi)危險，利用火災(zāi)燃燒時釋放出各種燃燒氣體并改變環(huán)境溫度的特點(diǎn)，機(jī)器人基于氣體傳感