多传感器智能机器人设计

论文摘要

机器人技术在工业、服务业、科研、医疗、军事等领域具有广阔的应用前景。人类不仅希望机器人可以解除人们繁锁的劳动,而且可以承担人们生活中的许多工作;不仅希望实现个别功能的自动化,还希望能制造一个可以像人一样完成各种功能的“万用机器”。机器人可以进行学习、适应环境,从而更好地为人类服务,因此这就要求提高机器人信息化、自动化和智能化技术水平。智能机器人研究是涵盖自动化、多传感器信息融合、机器学习等多学科交叉的新兴课题。本课题基于传感器技术、运动控制技术、信息融合技术、通讯技术等,设计制作机器人部件,构建智能机器人系统。本文在对机器人技术回顾和总结后,深入研究了小型机器人的基本实现方法,在此基础上提出了一种基于轮式驱动、GPS定位、超声波传感器、图像采集并具有速度反馈和无线通信能力的机器人系统构架。本课题主要工作有:1、提出了基于工控机为主控系统、“上位机/下位机”的协调控制、通过无线网络访问的“C/S模式”的系统架构,可以支持多种高级语言以及Matlab编程,具有高速图像处理、多线程控制和网络传输能力。2、基于舵机控制组件的云台设计,实现了视野拓展和灵活调整,便于视觉跟踪。在深入研究H.264图像压缩协议的基础上,完成了图像采集数据的编解码软件设计,实现了网络图像的流媒体传输,图像质量平稳,网络亲和性良好。3、采用了全球定位系统,完成了超声波障碍物检测装置和运动过程避障策略的设计,并与地图信息相结合,为实现自主导航奠定了基础。本文详细描述了系统实现中从机械结构设计到电气组件设计,再到算法实现的整个过程,通过实验结果给出了表述系统性能的指标。最后,总结设计中的难点和解决方案,并提出了该多传感器智能机器人进一步的改进方向。实验结果表明,本系统达到了既定的设计目的,并实现了目标跟踪、路径规划和自主导航等系统功能,并为复杂算法实现提供了良好的基础实验平台。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 机器人的定义和基本组成
• 1.2 机器人研究的发展
• 1.3 研究内容和研究目标
• 1.4 论文结构概述
• 2 系统需求分析和关键技术介绍
• 2.1 重申研究目标和内容
• 2.2 系统方案设计与比较
• 2.2.1 嵌入式实现方案
• 2.2.2 工控平台实现方案
• 2.2.3 方案比较
• 2.3 相关技术介绍
• 2.3.1 图像压缩编码技术
• 2.3.2 多线程技术
• 2.4 本章小结
• 3 系统设计方案
• 3.1 系统设计概述
• 3.2 机械设计
• 3.3 控制器系统设计
• 3.3.1 主处理系统
• 3.3.2 嵌入式协处理器
• 3.4 运动控制系统设计
• 3.4.1 电机驱动部分
• 3.4.2 速度反馈实现
• 3.5 传感器系统设计
• 3.5.1 图像捕捉组件
• 3.5.2 图像压缩编解码
• 3.5.3 超声波检测单元实现
• 3.5.4 GPS组件
• 3.5.5 舵机运动控制组件
• 3.6 通讯系统设计
• 3.6.1 网络通讯
• 3.6.2 串口通讯协议
• 3.7 电源系统设计
• 3.8 本章小结
• 4 系统功能实现
• 4.1 基本功能的实现
• 4.1.1 动作实现及通讯协议
• 4.1.2 轮询障碍物及检测流程
• 4.1.3 图像数据传输
• 4.2 高级功能的实现
• 4.2.1 路径规划
• 4.2.2 目标识别与跟踪
• 4.2.3 自主导航
• 4.4 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 系统设计总结
• 5.2 设计中的难点与解决
• 5.3 展望
• 参考文献
• 研究生期间发表论文情况
• 后记