移动机器人的避障与路径规划研究

论文摘要

移动机器人的研究和开发近年来受到了人们的高度重视,人们要求机器人在运动过程中能够根据周围环境的变化而自主的采取相应措施的能力也越来越强。因此,作为机器人智能的一个重要因素——避障与路径规划就显得尤为重要,它是机器人研究领域的关键技术之一,是机器人进行其它高级任务的前提。移动机器人通过感知系统检测外界环境信息,对这些信息进行处理后制定出行走路线,并在行进过程中躲避障碍物。本文以自制的轮式机器人为研究对象,对移动机器人的避障与路径规划进行了研究,主要内容如下：首先,对传统人工势场法进行了分析与研究。人工势场法以其结构简单、直观和易于实时性控制的特点,得到了广泛的应用,但该方法自身也存在着固有的缺陷,即局部极小点问题。在传统人工势场法中的势场函数启发下,针对这些局部极小点问题,定义新规则下的人工势场函数,即改进人工势场法,这种方法克服了传统人工势场法中存在的这些局部极小点问题。对机器人的避障控制进行了分析,包括信息的采集与处理,环境信息分类,安全避障距离的选取原则,避开前方和侧面障碍物的分析。其次,设计了以FPGA为主控芯片的避障系统硬件电路,包括FPGA最小系统板的设计,GPS定位模块与地磁传感器的选择,测距电路的设计,电机驱动电路设计。采用GPS和地磁传感器测量机器人的位置与航向信息；测距电路部分设计是为获得机器人周围的环境信息,其包括超声波发射电路设计与超声波接收电路设计以及红外测距模块的选择。利用SOPC技术进行了系统的SOPC构建,包括基本模块的配制与添加,自定制模块的设计。为分担NiosⅡ的负担,获得精准的中心频率及精确的定时,对避障系统进行了性能优化,其中包括超声波测距模块与红外测距模块的性能优化。系统软件设计部分包括GPS定位模块与地磁传感器数据的采集与处理程序,电机控制的软件设计,以及实现避障与路径规划的软件程序等。最后,对改进人工势场法进行了Matlab仿真,仿真结果表明在改进势场函数基础上通过修改斥力方向的方法,可以解决传统人工势场法下的三个局部极小点问题,且在较复杂的环境下,也能够使机器人安全无碰撞的到达目标点且保证所行驶的路径最短。对系统进行了避障与导航实验,实验结果表明在环境不太复杂的情况下,机器人能够实现实时的避障；通过地磁传感器与GPS辅助使机器人能够始终朝着目标点方向运动以保证能够到达目标点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景与意义
• 1.2 移动机器人的国内外研究现状
• 1.2.1 国外移动机器人路径规划的研究现状
• 1.2.2 国内移动机器人路径规划的研究现状
• 1.3 移动机器人的主要研究方向
• 1.3.1 机器人的感知
• 1.3.2 导航与定位
• 1.3.3 路径规划
• 1.4 论文的主要内容
• 第2章 人工势场法与避障控制分析
• 2.1 人工势场法
• 2.1.1 传统人工势场法
• 2.1.2 改进人工势场法
• 2.1.3 改进型人工势场法的算法实现步骤
• 2.2 避障控制分析
• 2.2.1 环境信息的分类
• 2.2.2 环境信息的采集与处理
• 2.2.3 安全避障距离的选取原则
• 2.2.4 避开前方障碍的分析
• 2.2.5 避开侧面障碍的分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 移动机器人的导航与避障系统硬件设计
• 3.1 系统总体结构
• 3.2 FPGA最小系统板设计
• 3.2.1 主控芯片的选择
• 3.2.2 FPGA的电源电路设计
• 3.2.3 外部RAM电路
• 3.2.4 FPGA的配置电路
• 3.3 GPS定位模块
• 3.3.1 GPS模块的选择
• 3.3.2 GPS定位信息的数据格式
• 3.3.3 GPS定位信息的坐标转换
• 3.4 地磁传感器
• 3.4.1 地磁传感器的选择
• 3.4.2 地磁北测量基本原理
• 3.5 电机驱动电路设计
• 3.6 超声波测距电路设计
• 3.6.1 超声波发射电路
• 3.6.2 超声波接收电路
• 3.7 红外测距模块
• 3.8 本章小结
• 第4章 系统软件设计
• 4.1 系统SOPC构建
• 4.1.1 Nios Ⅱ处理器
• 4.1.2 SOPC总体结构构建
• 4.1.3 配置系统时钟
• 4.1.4 自定制PWM外设
• 4.2 避障系统的SOPC性能优化
• 4.2.1 自定制超声波测距模块
• 4.2.2 超声波测距的标定
• 4.2.3 自定制红外测距模块
• 4.3 软件的设计与实现
• 4.3.1 系统总体软件框图
• 4.3.2 地磁信号的数据采集程序设计
• 4.3.3 GPS的数据接收程序设计
• 4.3.4 路径规划
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统仿真与实验调试
• 5.1 改进型人工势场法仿真
• 5.1.1 仿真过程
• 5.1.2 仿真结果分析
• 5.2 实验调试
• 5.2.1 避障实验
• 5.2.2 导航实验
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢