移动机器人无线监控系统设计与避障路径规划研究

论文摘要

随着无线传输技术的不断发展,无线控制技术成为机器人控制技术的重要技术之一,通过无线方式对机器人在自主运行过程中的运动状况监控,当出现危险情况下进行人为干预控制可以保证机器人的安全性和稳定性。在机器人运动的过程中为了减少碰撞造成的机器人本体的损坏、提高工作效率需要对其进行避障路径规划。基于以上,本文主要进行移动机器人无线监控系统的设计与避障路径规划研究。首先,进行了一种机器人无线信息传输与控制系统的设计。在对系统功能进行分析的基础上进行分模块化设计,主要包括SPCE061A的控制部分,USB通信部分,系统电源管理部分,驱动部分,环境信息感知与获取部分,语音播报等的设计。对各模块之间进行了整合,绘制出了整体的控制电路并进行了PCB板的制作和加工。其次,结合机器人运动过程中的避障路径规划需求,提出采用超声波测距方式来获取机器人本体周围的障碍物信息,在分析了传统人工势场法在机器人避障路径规划中的不足的基础上,考虑机器人本体约束的条件下,针对非质点障碍物环境下的路径规划问题,提出采用障碍物边界斥力和的方法改进斥力计算公式；针对机器人受力平衡时的目标不可达问题,采用虚拟子目标引导法改进算法；针对U型环境机器人死锁问题,采用奔向目标行为和FOALLOW-WALL行为相结合的方法解决问题；沿用传统人工势场法的思想,考虑物体之间的相对速度、加速度因素,构建了新的人工势场函数,适用于动态环境的避障路径规划。进行了相关的仿真实验,实验结果验证了算法的有效性。再次,作为对路径规划的一种延伸,设计了模糊控制路径跟踪器,结合实验对象轮椅机器人对其转向控制原理进行了分析,得出了转向角与控制器中的模拟控制线电压之间的关系,为实现轮椅的自主智能运行提供了帮助。最后,编写了无线监控系统的控制界面和硬件系统相关程序,实现了机器人的无线控制和无线图像的传输。进行了机器人测距系统的测距实验,并在监控平台上进行了机器人的避障路径规划仿真实验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 移动机器人研究现状
• 1.3 机器人关键技术
• 1.3.1 控制技术
• 1.3.2 路径规划技术
• 1.3.3 路径跟踪技术
• 1.4 本文研究内容及内容安排
• 1.5 本章小结
• 第2章 无线监控系统的设计与研究
• 2.1 系统功能分析
• 2.2 系统硬件的组成
• 2.2.1 MCU控制模块
• 2.2.2 USB接口通信模块设计
• 2.2.3 无线通信模块
• 2.2.4 环境信息的感知与获取模块
• 2.2.5 控制对象本体
• 2.2.6 轮椅驱动模块
• 2.2.7 电机驱动外围电路设计
• 2.2.8 系统电源管理模块设计
• 2.2.9 语音播报模块设计
• 2.3 系统硬件整体电路图的绘制与实现
• 2.3.1 PC端控制系统电路的绘制与实现
• 2.3.2 轮椅端控制系统电路的绘制与实现
• 2.4 本章小结
• 第3章 移动机器人避障路径规划研究
• 3.1 轮椅数学模型的建立
• 3.2 路径规划相关技术
• 3.2.1 机器人对环境的感知
• 3.2.2 环境信息的建模
• 3.3 传统人工势场算法
• 3.4 改进人工势场法避障路径规划
• 3.4.1 多障碍物时的避障路径规划
• 3.4.2 一种目标不可达问题的避障路径规划
• 3.4.3 U型区域问题时的避障路径规划
• 3.4.4 动态环境下的避障路径规划
• 3.5 仿真实验
• 3.6 本章小结
• 第4章 路径跟踪的研究
• 4.1 路径跟踪问题
• 4.2 跟踪控制器的设计
• 4.2.1 模糊控制器的变量及论域
• 4.2.2 语言变量与模糊集
• 4.2.3 隶属度函数的确定
• 4.2.4 模糊控制规则库建立
• 4.2.5 去模糊化
• 4.3 模糊控制器的设置
• 4.4 轮椅机器人转角控制原理分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 无线监控系统软件设计与相关实验
• 5.1 系统软件的总体设计
• 5.2 软件开发环境简介
• 5.3 无线监控系统PC端软件设计
• 5.3.1 无线监控系统PC端总体设计
• 5.3.2 无线发收功能软件设计
• 5.3.3 路径规划软件设计
• 5.3.4 图像采集存储程序
• 5.4 轮椅端软件设计
• 5.4.1 轮椅端总体软件设计
• 5.4.2 测距模块的软件设计
• 5.5 系统实物与实验
• 5.5.1 系统实物图
• 5.5.2 无线控制指令传输实验
• 5.5.3 环境信息获取实验
• 5.5.4 无线监控平台避障路径规划实验
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间的科研成果