机器人群体能量自治问题的研究

论文摘要

随着机器人技术的不断发展,机器人群体需要完成的任务也越来越复杂。在群体机器人中,单个机器人携带的电池能量总是有限的。这对机器人群体的可持续工作能力提出了新的挑战。自主移动机器人由于其良好的自主性已成为机器人研究领域的热点之一。自充电技术的研究成了解决室内移动机器人工作时间限制的关键,将移动机器人导航到充电站是自充电技术的关键。特别是在移动机器人自身硬件条件比较简单的情况下进行有效的导航。本课题针对自主移动机器人在室内环境下的自主充电系统进行研究,构建能够进行能量自治的机器人,即机器人群体“能够在可生存的状态中维持尽可能长的时间”。本文提出基于监控平台的移动机器人导航算法,用于将机器人导航到指定的充电站。在监控平台中采用邻近点轨迹跟踪算法提取出当前机器人的运动状态,通过二维几何偏角分析并对机器人下一步将要运动的方向进行调整。在机器人硬件中,设计了相关的电路来检测机器人的电量水平。在电池充满后机器人能够自主退出充电站,整个系统可在无人职守的情况下自主运行,从而实现群体机器人的高效持续工作。主要研究工作包括以下几点:(1)提出基于监控平台的导航算法:利用摄像头监控成像,采用比较成熟的图像跟踪算法来提取移动机器人的当前位置及运动方向。分析其与充电站方向的移动偏差并通过无线通信的方式将偏角信息广播给机器人。(2)仿真群体机器人充电场景:在Player/Stage平台上,快速对群体机器人充电导航过程及与充电站连接过程进行仿真以验证算法对群体机器人的可行性及有效性。(3)自动接触式充电站:当移动机器人导航进入充电站后,其充电触角与充电电板接触后即能够进入自动充电状态。本文通过对移动机器人自主充电系统进行研究,在实际的移动机器人上进行试验并通过监控平台的轨迹显示来验证算法的可行性及整个系统的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 自治机器人导航算法现状
• 1.2.2 自主充电技术发展现状
• 1.3 研究目标
• 1.4 论文结构
• 1.5 本章小结
• 第二章 移动机器人自主充电系统
• 2.1 引言
• 2.2 移动机器人硬件架构
• 2.2.1 运动控制功能
• 2.2.2 通信功能
• 2.2.3 传感功能
• 2.2.4 自主充电功能
• 2.3 充电站的设计
• 2.3.1 接触式充电
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于视频监控的导航算法
• 3.1 引言
• 3.2 移动机器人检测
• 3.2.1 环境建模
• 3.2.2 运动分割
• 3.2.3 数学形态学的滤波处理
• 3.3 移动机器人轨迹跟踪
• 3.3.1 基于区域的跟踪算法
• 3.3.2 基于动态轮廓的跟踪算法
• 3.3.3 基于特征的跟踪
• 3.3.4 基于模型的刚性物体的跟踪
• 3.3.5 群体移动机器人的轨迹
• 3.4 基于轨迹的导航算法
• 3.5 本章小结
• 第四章 群机器人自主充电系统的实现
• 4.1 引言
• 4.2 群机器人充电仿真
• 4.2.1 Play/Stage 仿真平台
• 4.2.2 数据结构的定义
• 4.2.3 仿真控制过程
• 4.3 仿真数据结果
• 4.3.1 导航路径
• 4.3.2 充电成功率测试
• 4.4 自主充电系统部署
• 4.4.1 硬件机器人充电时机分析
• 4.4.2 系统硬件部署
• 4.5 实际自主充电测试结果分析
• 4.5.1 导航路径
• 4.5.2 充电成功率测试
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文