環(huán)境感知移動機(jī)器人人機(jī)交互下自主導(dǎo)航技術(shù)研究.pdf

1、環(huán)境感知移動機(jī)器人是一種可以用于核放射性和化學(xué)污染等危險環(huán)境下探查取樣、偵察搜索和現(xiàn)場處置的機(jī)器人,它不僅可以大大提高危險環(huán)境下的感知和處置效率,更可以有效的降低相關(guān)人員所面對的危險,具有非常重要的社會意義,是當(dāng)前機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。由于完全自主移動機(jī)器人的不可實(shí)現(xiàn)性,本文針對在人機(jī)交互方式下的環(huán)境感知移動機(jī)器人自主導(dǎo)航問題開展了相應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 本文首先根據(jù)環(huán)境感知移動機(jī)器人的工作特點(diǎn)和使用要求,針對核放射性

2、和化學(xué)污染環(huán)境下的探測感知應(yīng)用,設(shè)計并制作了一臺小型化的環(huán)境感知移動機(jī)器人。該機(jī)器人具有體積小,重量輕,運(yùn)動能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該機(jī)器人攜帶大量傳感器,可以對自身的運(yùn)行狀況和外界的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時的測量,并傳遞給操作人員。對于機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了專門的針對性設(shè)計,通過建立相應(yīng)的模型加以分析,證明該機(jī)器人具有很強(qiáng)的運(yùn)動能力,不僅可以通過各種復(fù)雜材質(zhì)的地面,還可以進(jìn)行室內(nèi)樓梯的攀爬。該機(jī)器人同時也被作為其后研究工作的對象和實(shí)驗(yàn)平臺。<

3、br>　　 針對環(huán)境感知移動機(jī)器人在人機(jī)交互下,操作人員為機(jī)器人指定跟蹤目標(biāo),機(jī)器人自主跟蹤的任務(wù)要求,分析了常用視覺跟蹤方法的特點(diǎn)。針對尺度不變性特征算法(Scale-lnvariant Transform Feature,SIFT)匹配跟蹤精度高,但計算量大的特點(diǎn),提出了一種新的基于距離的尺度不變性算法。該方法利用雙目視覺技術(shù)測量指定跟蹤物體到機(jī)器人的距離,利用慣性元件測量機(jī)器人的運(yùn)動參數(shù),估計跟蹤物體在匹配時刻到機(jī)器人的距離,在

4、搜索圖像中,只計算該距離附近的像素點(diǎn),大大減少了算法計算特征點(diǎn)時的工作量,加快了算法的執(zhí)行速度,提高了實(shí)時性。同時也解決了一類存在距離差異的相似目標(biāo)的區(qū)分和判別問題。
　　 針對環(huán)境感知移動機(jī)器人在野外環(huán)境下,操作人員給定導(dǎo)航地點(diǎn),機(jī)器人根據(jù)地面的情況自主導(dǎo)航的問題,本文給出了基于視覺特征和統(tǒng)計學(xué)習(xí)的導(dǎo)航方法。該方法通過測量機(jī)器人在不同條件地表運(yùn)行時相對于在平地運(yùn)行時的相對震動特征,定義了地表可通過度。在機(jī)器人離線學(xué)習(xí)過程中,機(jī)

5、器人提取地表圖像的顏色、紋理等視覺特征和經(jīng)過該地表時測得的可通過度信息構(gòu)成訓(xùn)練樣本,利用差分進(jìn)化支持向量機(jī)(Difference Evolution Support Vector Machine,DESVM)加以訓(xùn)練。在線預(yù)測時,當(dāng)機(jī)器人將行進(jìn)前方地面的顏色、紋理特征送入訓(xùn)練好的訓(xùn)練模型后,計算得到前方地表的預(yù)測可通過度?？紤]到機(jī)器人運(yùn)動的柔順性,使用距離因子加以修正,并根據(jù)地表各個區(qū)域可通過度的最小值確定最優(yōu)路徑。在沿最優(yōu)路徑行進(jìn)時,

6、實(shí)時檢測機(jī)器人的打滑程度和真實(shí)的可通過度,一旦與預(yù)測值偏差過大,則重新進(jìn)行路徑的規(guī)劃,避免機(jī)器人因?yàn)轭A(yù)測失誤而失去控制。
　　 針對環(huán)境感知器人需要面臨在建筑物內(nèi)攀爬樓梯的情況,給出了基于機(jī)器人質(zhì)心位置的運(yùn)動模型,利用模型上某點(diǎn)在翻越障礙時的運(yùn)動特性討論并計算了機(jī)器人可攀爬通過的單級障礙的最大高度和其質(zhì)心位置的關(guān)系,并給出了數(shù)值解。針對機(jī)器人在自主攀爬樓梯的過程中,質(zhì)心位置對于機(jī)器人攀爬穩(wěn)定性的影響,給出了利用重心投影法討論和計