家庭服务机器人导航系统研究

论文摘要

随着机器人技术的不断发展,服务机器人的应用领域越来越广泛,除了工业、农业等传统领域外,其在医疗、文娱、家居等诸多环境中得到了广泛应用;同时人们对生活质量的要求不断提高,服务机器人能够使人们摆脱令人烦躁的劳动,有更多的时间和精力放到其他事情上。服务机器人任务的完成离不开导航系统的支持,本文针对在室内环境中工作的服务机器人的导航问题展开研究,尝试给出一个适合室内环境下的服务机器人导航的解决方案。室内环境中是一个具有静态因素和动态因素的结构化环境,在这个环境中实现机器人导航任务不仅需要机器人能够对突发情形做出快速反应,同时应具有一定自主规划能力。本文基于慎思/反应混合范式,结合室内环境下导航的具体问题需求,将导航系统分为环境信息采集、慎思规划以及反应执行三个模块;环境信息采集与更新是路径规划以及反应执行中行为选择的重要依据,但单一传感器采集的信息是不够准确的,因此在实际应用中,通常要对多个传感器的信息进行融合。本文以常用的传感器为研究对象,采用贝叶斯方法进行传感器信息融合,以减小采集的信息中的不确定性因素;路径规划是解决机器人导航问题的基本环节,路径规划问题的解决通常需要两个步骤,第一步对机器人的工作环境进行抽象表示,第二步采用搜索策略搜索出一条路径;本文中采用栅格法作为工作环境表示方法,采用启发式搜索作为搜索策略,并分别利用A*以及LPA*算法进行仿真实验,证明了该方法的有效性;反应执行的主要问题是机器人行为的设计,结合问题的具体需求,将行为集合设计为躲避动态障碍物以及向目标前进等两个行为。基于以上的研究工作,设计一种基于混合范式的导航系统,同时对环境信息采集以及路径规划问题进行了深入的研究,为下一步的研究工作奠定了好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外服务机器人产品现状
• 1.3 本文研究内容及结构安排
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 论文结构安排
• 第二章 国内外研究现状及相关技术简介
• 2.1 服务机器人体系结构研究现状
• 2.1.1 基于行为的体系结构
• 2.1.2 基于TCA 的体系结构
• 2.2 导航系统体系结构的研究现状
• 2.3 路径规划问题及算法
• 2.3.1 路径规划算法及相关技术简介
• 第三章 导航系统整体解决方案设计
• 3.1 服务机器人导航系统需求分析
• 3.2 导航系统体系结构设计
• 3.2.1 三个基元以及慎思/反应范式
• 3.2.2 整体解决方案设计
• 3.3 系统关键模块设计
• 3.3.1 感知结构的设计
• 3.3.2 规划模块的设计
• 3.3.3 反应执行中行为的选择
• 3.3.4 遇到障碍物时的处理
• 3.4 结论
• 第四章 基于贝叶斯方法的环境信息处理
• 4.1 环境信息的表示及不确定性处理
• 4.1.1 环境信息的表示
• 4.1.2 不确定信息的处理
• 4.2 基于贝叶斯方法的多传感器信息融合
• 4.2.1 传感器模型
• 4.2.2 贝叶斯规则转化
• 4.2.3 多传感器信息融合
• 4.3 实验设计
• 4.4 结论
• 第五章 启发式搜索与路径规划
• 5.1 路径规划问题概述
• 5.2 环境表示
• 5.2.1 构形空间的概念
• 5.2.2 栅格法环境表示
• 5.3 基于图的启发式搜索概述
• 5.4 场景设计
• 5.5 A*算法及仿真结果
• 5.5.1 A*算法流程
• 5.5.2 仿真实验结果
• 5.6 LPA*算法及仿真实验结果
• 5.6.1 LPA*算法中定义的变量
• 5.6.2 LPA*算法关键子过程
• 5.6.3 对LPA*算法的分析
• 5.6.4 仿真实验结果
• 5.7 结论
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢