基于视觉导航的机器人系统设计与实现

论文摘要

机器人研究是人工智能领域中的一个重要分支,目前机器人技术的不断发展使得其应用领域越来越广泛,其中双足机器人具有很高的灵活性,可以适应更为多样化的作业环境。双足机器人为了能在复杂的环境中采集信息,其前提是机器人视觉技术,因此视觉信息提取技术就成为了当前双足机器人领域研究的一个热点。本文主要以双足机器人为载体,设计了基于深度图像视觉导航的机器人系统。首先,本论文提出了一种基于红绿双色多线激光的结构光方法提取视觉信息。其利用多线激光,配合高速振镜和可编程驱动电路,在空间中构造出多条线结构光,在此基础上对所获得图像进行后期处理,从而获得目标物体的深度图像。通过此种方法产生的多线结构光,由于激光光束成像在后期的去背景处理以及特征提取中容易分辨,因此提高了系统的精度。并且,利用高速振镜结合可编程驱动电路,可以精确的控制所成光束的功率、波长(颜色)、宽度、数量,因此编程驱动程序在极短时间内改变多条线结构光的形态,运用不同的结构光,例如垂直结构和水平结构两种正交结构光,对目标空间进行多次扫描成像,有效的避免了物体的轮廓(边界)与激光束平行时无法检测的问题。其次,本论文研究了双足机器人的机械结构设计及通讯模块的设计,并将基于结构光的视觉信息提取技术应用于该双足机器人的视觉系统。双足机器人的运动学模型比较复杂,有结构支撑面积小、质心相对位置高、支撑面的形状随时间变化较大等特点。本文中分析了12DOF(Degree of Freedom)的双足机器人模型,并在此基础上搭载了蓝牙控制模块与蓝牙通讯模块,将视觉导航系统与双足机器人载体有机结合,从而形成一个完整体系。论文第一章介绍了课题的研究背景及意义,阐述了深度图像视觉系统和双足机器人的研究现状。第二章提出了红绿双色激光多线结构光法,以及以它为基础的深度图像视觉导航系统。第三章研究了双足机器人的动力学模型及其物理构造。第四章研究了视觉导航系统与双足机器人系统的系统融合。第五章总结了系统中存在的不足,展望了未来的发展方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 深度图像视觉系统概述
• 1.3 双足机器人国内外研究现状
• 1.4 研究内容及结构安排
• 2 基于多线结构光的视觉导航系统
• 2.1 引言
• 2.2 深度图像视觉系统
• 2.2.1 获取深度图像常用的几种方法
• 2.2.2 多线结构光法
• 2.3 深度图像视觉系统的仿真
• 2.3.1 系统仿真方案
• 2.3.2 误差分析
• 2.4 本章小结
• 3 双足机器人系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 双足机器人运动学模型
• 3.2.1 双足机器人姿态描述
• 3.2.2 双足机器人自由度配置
• 3.3 双足机器人动力控制系统
• 3.3.1 双足机器人动力系统
• 3.3.2 双足机器人动力控制系统
• 3.4 双足机器人通讯控制系统
• 3.5 本章小结
• 4 系统架构融合及应用
• 4.1 引言
• 4.2 系统融合
• 4.3 路径规划中多传感器的应用
• 4.3.1 双足机器人路径规划设计思路
• 4.3.2 多传感器在路径规划中的应用
• 4.4 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文