室外自主移动机器人导航系统及其仿真软件的设计与实现

论文摘要

自主式移动机器人具有高度自规划、自组织和自适应能力,适合于在复杂的非结构化环境中工作。其目标是在没有人的干预、无需对环境做任何规定和改变的条件下有目的地移动和完成相应任务。所以,在自主式移动机器人相关技术中,导航是其中一个重要组成部分,也是移动机器人实现智能化以至完全自主的关键技术。我国在智能移动机器人研究方面虽然已经取得了一定的成果,但由于起步较晚,在研究和应用方面都落后于一些西方国家,而且还没有达到完全实用。因此,进行这项研究,具有一定的理论意义和工程应用意义。移动机器人导航系统主要内容包括移动机器人的定位和路径规划。为了赋予机器人智能和自主的能力,本文对移动机器人导航系统及其仿真软件进行了分析研究。首先介绍了移动机器人的发展状况,分析了国内外移动机器人研究现状。并综合分析比较了目前常用的移动机器人定位和路径规划技术,结合设计需求,提出了室外自主移动机器人定位及路径规划比较合理的总体设计方案。针对定位本文分析研究了GPS定位,DR导航原理。GPS定位存在误差大,有盲区等缺点;而DR航位推算存在初始准确但误差随时间累积的问题。因此,对移动机器人运动进行建模并使用卡尔曼滤波将二者数据进行融合,综合二者的优点,可以有效提高定位精度。通过实验表明,滤波后定位效果大大好于单独使用GPS或者DR定位。为了对移动机器人的定位、运动控制和路径规划进行研究,编写了通用的二维移动机器人仿真软件RSP。真实模拟了实际环境,大大提高了算法的验证效率,并为以后的实验提供方便。并在此基础上,设计并实现了三维机器人仿真软件RSP3D。相对于二维的RSP,RSP3D可以更好地对机器人及其运动环境进行模拟,大大提高仿真的有效性。针对路径规划本文分析研究了基于行为的运动控制算法,将其应用于室外移动机器人的导航控制中。借鉴免疫网络的原理,构建了一个行为仲裁系统,对行为单元进行协调。系统能根据外部环境动态地改变行为单元的优先级,同时考虑到反应式控制体系固有的缺陷,添加规划推理模块对系统进行推理和指导,增强系统对环境的适应能力和灵活性。使用RSP及RSP3D仿真软件并对路径规划算法进行了验证。实验结果表明,在比较理想的情况下,算法可以很好地完成机器人导航任务。在仿真的基础上,使用硬件平台对算法进行验证,并分析了实验结果。最后对全文工作进行总结,并对研究工作的继续深入提出设想。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 0.1 引言
• 0.2 移动机器人发展概况
• 0.3 移动机器人主要研究的方向
• 0.4 本文研究内容
• 1 移动机器人导航关键技术介绍
• 1.1 移动机器人导航概述
• 1.2 移动机器人定位
• 1.2.1 不使用地图的定位
• 1.2.2 基于地图的定位
• 1.3 移动机器人运动控制
• 1.3.1 传统控制系统（DELIBERATIVE CONTROL SYSTEM）
• 1.3.2 反应式控制系统（REACTIVE CONTR01 SYSTEM）
• 1.3.3 混和式控制系统（HYBRID DELIBERATION/REACTIVE CONTROL SYSTEM）
• 1.3.4 基于行为的控制方法（BEHAVIOR-BASED CONTROL SYSTEM）
• 1.4 移动机器人路径规划
• 1.4.1 地图已知的路径规划方法
• 1.4.2 地图未知的路径规划方法
• 1.4.3 人工免疫算法
• 1.5 本章小结
• 2 机器人仿真系统概述
• 2.1 系统仿真技术
• 2.2 移动机器人仿真
• 2.3 本章小结
• 3 实验机器人硬件平台介绍及控制平台的改进
• 3.1 实验机器人硬件平台介绍
• 3.2 实验机器人控制平台的改进
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 分层
• 3.2.3 通信模块
• 3.3 本章小结
• 4 基于卡尔曼滤波的GPS 和电子罗盘定位
• 4.1 概述
• 4.2 GPS 数据提取实现
• 4.3 GPS/DR 组合导航及卡尔曼滤波原理
• 4.3.1 DR 系统定位原理
• 4.3.2 卡尔曼滤波原理
• 4.4 基于卡尔曼滤波的机器人GPS/DR 定位
• 4.4.1 机器人运动模型的建立
• 4.4.2 GPS/DR 组合导航系统卡尔曼滤波模型的建立
• 4.4.3 GPS/DR 组合卡尔曼滤波定位MATLAB仿真实验
• 4.5 基于自适应卡尔曼滤波的机器人GPS/DR 定位
• 4.5.1 移动机器人当前统计模型自适应卡尔曼滤波
• 4.5.2 GPS/DR 自适应卡尔曼滤波定位MATLAB仿真实验
• 4.6 本章小结
• 5 机器人仿真软件ROBOT SIMULATION PLATFORM 的设计及实现
• 5.1 概述
• 5.2 仿真软件RSP 的总体设计
• 5.3 设计模式简介
• 5.4 基于设计模式的RSP 的各模块的设计
• 5.4.1 地图环境模块
• 5.4.2 传感器模块
• 5.4.3 运动控制模块
• 5.4.4 定位模块和路径规划模块
• 5.4.5 系统配置模块和用户交互模块
• 5.4.6 通信模块和应用协议模块
• 5.5 RSP 的实现
• 5.6 本章小结
• 6 机器人仿真软件ROBOT SIMULATION PLATFORM 3D 的设计及实现
• 6.1 概述
• 6.2 3D 技术及其构建工具
• 6.2.1 三维造型软件简介
• 6.2.2 WPF 简介
• 6.3 RSP3D 的设计与实现
• 6.3.1 逻辑代码的移植
• 6.3.2 三维界面的实现
• 6.4 本章小结
• 7 行为与免疫的相结合的规划算法
• 7.1 概述
• 7.2 生物免疫系统简介
• 7.3 基于免疫网络理论的机器人行为仲裁系统
• 7.3.1 抗体和抗原的定义
• 7.3.2 抗体之间的交互
• 7.3.3 算法描述
• 7.4 RSP 仿真结果及分析
• 7.5 RSP3D 仿真与RSP 仿真的比较
• 7.6 硬件实验结果及分析
• 7.7 本章小结
• 8 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 致谢