全区域覆盖自主移动机器人数字化环境的建立与定位系统的研究

论文摘要

本文以全区域覆盖自主移动机器人为研究对象,着重研究其三维数字化环境建立的关键技术与方法。对环境信息的获取,文中采用光电编码器—三轴罗盘组合定位系统获取环境边界信息和障碍物边界信息;选用LMS激光扫描仪获取环境中障碍物空间信息。在分析了组合定位系统的累积误差的基础上,提出了基于合作信标的激光全局定位的修正方法,并通过实验验证了该方法具有较高的精度与可行性。对环境信息的处理,鉴于存储空间和处理速度的考虑,文中采用串口通信方式由上位机处理,生成了环境地图数据库。基于工作区域中的三维地形数据点,文中采用双三次B样条函数插值法,应用Matlab软件仿真得出拟合数字地形面。并将建立的数字地图应用于机器人全区域覆盖的导航,给出了边界判别算法。最后,作者根据机器人的实际运行,进行了专门的软硬件设计。

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 移动机器人国内外研究现状与发展趋势
• 1.3 移动机器人环境识别及其关键技术
• 1.3.1 移动机器人的定位技术
• 1.3.2 移动机器人探测环境的传感器技术
• 1.3.3 移动机器人的多传感器信息融合技术
• 1.4 本课题的来源、研究背景及意义
• 1.5 本课题主要研究内容
• 2 全区域覆盖自主移动机器人数字化环境信息的获取
• 2.1 引言
• 2.2 数字化环境建立的定位技术与定位传感器的研究与选择
• 2.3 数字化环境信息获取的方案概述
• 2.3.1 坐标系的定义与变换
• 2.3.2 光电编码器—三轴罗盘组合定位原理
• 2.4 工作区域数字化环境信息的获取
• 2.4.1 三维工作区域主边界信息的获取
• 2.4.2 三维工作区域障碍物信息的获取
• 2.4.3 三维工作区域信息的获取
• 2.5 组合定位系统的误差分析与修正
• 2.5.1 三轴罗盘的误差修正
• 2.5.2 基于合作信标探测的光电编码器的累积误差修正
• 2.5.2.1 路标导航定位方式
• 2.5.2.2 激光全局定位系统工作原理
• 2.5.2.3 激光全局定位算法
• 2.5.2.4 LMS定位误差分析
• 2.5.2.5 数字化环境信息误差的修正
• 本章小结
• 3 数字化环境信息的处理与基于环境信息的导航
• 3.1 引言
• 3.2 环境信息处理方案概述
• 3.3 数字环境地图数据库的生成
• 3.3.1 数字环境地图数据库的数据存储结构
• 3.3.1.1 线性表的链式存储
• 3.3.1.2 尾插法建立单链表
• 3.3.1.3 单链表的有序实现
• 3.3.1.4 有序链表的二分查找
• 3.3.2 环境地图数据库的生成
• 3.4 基于双三次B样条插值的数字环境地形面的构造
• 3.5 基于数字化环境地图的导航
• 本章小结
• 4 数字化环境建立的软、硬件设计
• 4.1 引言
• 4.2 硬件电路设计
• 4.2.1 硬件总体结构
• 4.2.2 光电编码器倍频鉴相电路
• 4.2.2.1 光电编码器工作原理
• 4.2.2.2 利用容阻器件实现的倍频鉴相电路
• 4.2.3 三轴罗盘信号处理电路
• 4.2.3.1 磁阻传感器HMC2003信号处理电路
• 4.2.3.2 倾斜传感器的信号处理
• 4.2.4 LMS接口电路
• 4.2.5 DSP与PC机之间的串行通信
• 4.2.5.1 McBSP的功能特点
• 4.2.5.2 MAX3111功能特点
• 4.2.5.3 DSP与MAX3111的接口电路
• 4.3 软件程序设计
• 4.3.1 系统主程序设计
• 4.3.2 三维环境地图信息生成程序
• 4.3.2.1 三维环境地图边界信息采集子程序
• 4.3.2.2 码盘误差修正中断子程序
• 4.3.3 串口通信中断子程序
• 4.3.4 三维环境地图信息处理子程序
• 4.3.5 三维环境边界识别子程序
• 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献