基于激光雷达的室内外巡检移动机器人原型设计与实现

发布时间：2017-09-09 23:27

  本文关键词：基于激光雷达的室内外巡检移动机器人原型设计与实现

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【摘要】：伴随着我国社会经济稳步增长,越来越多的巨型企业厂区、高新园区、巨型商场不断的出现在国民生活中,然而这些场所对安全保卫工作提出了新的特殊需求。通常情况下这些场所中的安保任务都是由人类保安来完成,但是随着巡检范围不断扩大,室内外混合环境,用人成本的持续走高等因素。仅仅依靠人类保安已经不能满足日益复杂化的安保需求。另外在一些危险的环境中,人类保安也不适合执行巡检工作,比如在变电所厂区,到处都是高压电弧,对人类来说十分的危险。然而这样类似的场所又关系到一个社区,甚至一个城市的正常生活,需要时时刻刻的安全保卫工作。这一切都催生了一种特殊服务型巡检移动机器人的出现。本课题的设计目标就是设计一种既能够在人工控制下执行室外巡检工作任务,又能够自主完成室内巡检工作的移动机器人原型解决方案。为了实现我们的设计目标,主要完成了以下研究设计内容。首先,根据我们的课题目标,设计制作巡检移动机器人硬件平台。其中包括设计制作移动机器人机械硬件结构、外围硬件电路设计、传感器等设备接口设计、开发基于Linux系统的Omap平台下的eHRPWM驱动和eQep编码计数器驱动。其次,完成室外环境中人工控制的移动巡检机器人系统软件设计与实现。主要包括五个方面的内容,第一,基于IVA-HD硬件图像编码技术的远程实时图像监控软件。第二,基于遥控手柄远程遥控巡检移动机器人执行巡检任务软件。第三,基于GPS技术的远程实时可视化移动机器人位置监控软件。第四,基于Hog特征的人体目标检测与 CamShift目标跟踪算法检测外来人体目标并实时在PC控制终端跟踪显示。第五,基于激光雷达传感器检测障碍的避免意外碰撞巡检辅助功能。最后,完成室内环境中自主巡检移动机器人雏形系统软件设计与实现。其中包括如下两个方面的内容,第一,基于ROS机器人软件包处理激光雷达传感器数据自主构建室内局部地图。第二,基于室内局部地图数据,在完成巡检任务,自主路径规划、自主走出室内环境的软件与实现。基于激光雷达的室内外巡检移动机器人原型完成开发设计以后,对各功能进行了验证与测试,验证结果表明,移动巡检机器人系统硬件和软件均能够按照设计需求进行有效的工作,且运行状态良好,达到了预期的设计目的。对以后深入研究基于GPS和激光雷达等传感器的全自主导航、全智能的室内外移动巡检机器人的研究提供了理想可靠的研究实验基础平台。
【关键词】：移动机器人 定位 遥控 实时可视化 局部地图 路径规划
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242;TN958.98
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-18
• 1.1 引言12
• 1.2 巡检移动机器人国内外发展现状12-13
• 1.3 课题的目的及其意义13-14
• 1.4 课题研究内容14-15
• 1.5 课题中的技术难点及研究方法15-18
• 第二章 移动巡检机器人硬件及驱动设计与实现18-38
• 2.1 巡检移动机器人硬件设计18-25
• 2.1.1 巡检移动机器人硬件设计图18-19
• 2.1.2 移动机器人实物图19
• 2.1.3 OMAP核心控制板19-20
• 2.1.4 移动机器人底盘和电机20-21
• 2.1.5 电机驱动电路设计21-22
• 2.1.6 Sim908开发板22
• 2.1.7 摄像头22-23
• 2.1.8 舵机及云台23
• 2.1.9 激光雷达传感器23-24
• 2.1.10 电子罗盘传感器24-25
• 2.1.12 稳压电源25
• 2.2 PC控制终端硬件25-27
• 2.2.1 北通遥控手柄25-26
• 2.2.2 TpLink 300M无线路由器26
• 2.2.3 PC计算机26-27
• 2.3 PWM驱动设计27-32
• 2.3.1 eHRPWM原理27
• 2.3.2 eHRPWM驱动开发27-30
• 2.3.3 eHRPWM设备树文件开发与设置30-32
• 2.4 eQEP驱动设计32-38
• 2.4.1 eQEP原理简介32-34
• 2.4.2 eQEP驱动实现34-35
• 2.4.3 eQEP设备树实现35-36
• 2.4.4 eQEP驱动测试36-38
• 第三章 室外人工控制巡检移动机器人软件设计38-64
• 3.1 移动机器人运动控制软件设计与实现38-44
• 3.1.1 遥控手柄软件控制流程39-40
• 3.1.2 遥控手柄数据获取40-41
• 3.1.4 移动机器人控制命令解析41-43
• 3.1.5 远程遥控性能指标与测试43-44
• 3.2 GPS地理位置信息服务软件设计与实现44-49
• 3.2.1 GPS定位服务软件设计流程图44-45
• 3.2.2 初始化GPS定位模块45
• 3.2.3 GPS数据解析原理45-46
• 3.2.4 PC控制终端GPS定位软件设计与实现46-48
• 3.2.5 GPS定位性能指标与测试48-49
• 3.3 基于多线程的实时图像监控软件设计与实现49-56
• 3.3.1 基于V4L2实现USB摄像头图像采集50
• 3.3.2 IVA-HD实现图像压缩50-54
• 3.3.3 PC控制终端实时图像监控软件设计54-55
• 3.3.5 实时图像测试55-56
• 3.4 人体目标检测与跟踪56-62
• 3.4.1 基于HOG特征的人体目标识别实现56-58
• 3.4.2 基于CamShift人体目标跟踪58-61
• 3.4.3 人体目标识别与跟踪实现性能指标与测试61-62
• 3.5 移动机器入运动方向障碍物检测62-64
• 第四章 室内环境中自主巡检雏形研究与实现64-86
• 4.1 路程计算编码器64-65
• 4.2 激光雷达传感器数据采集65-68
• 4.2.1 激光雷达通信协议65-67
• 4.2.2 激光雷达数据采集程序设计67
• 4.2.3 激光数据测试67-68
• 4.3 基于ROS处理激光雷达数据构建室内局部地图68-74
• 4.3.1 激光坐标系转换为笛卡尔坐标70-71
• 4.3.2 点距离分割数据71-72
• 4.3.3 线性垂足拟合72-73
• 4.3.6 局部地图构建性能指标与结果测试73-74
• 4.4 简单局部环境下的自主路径规划和避障研究与实现74-86
• 4.4.1 障碍物空间深度计算75-79
• 4.4.2 非障碍物区域宽度计算79
• 4.4.3 计算偏转YAW79-80
• 4.4.5 计算走行距离80-81
• 4.4.6 CT坐标变换81-84
• 4.4.7 简单室内环境下的自主路径规划性能指标与测试84-86
• 第五章 结论与展望86-87
• 致谢87-88
• 参考文献88-91
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果91

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 张涛;杨振强;王晓旭;;应用eQEP及编码器测量电机位置与速度的方法[J];电气传动;2011年04期

2 陈卫标;周军;刘继桥;朱小磊;;多普勒激光雷达及其单纵模全固态激光器[J];红外与激光工程;2008年01期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 文斐;激光雷达数据采集系统框架研究[D];中国科学技术大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 武丽敏;GPS在无人机上的应用[D];天津大学;2012年

2 王磊;全区域覆盖移动机器人同时定位与地图创建（SLAM）技术的研究[D];南京理工大学;2005年

3 孙宇;基于激光雷达的机器人三维地形构建和草丛中障碍物检测[D];浙江大学;2007年

4 刘丽雯;基于激光传感器的移动机器人定位和地图构建研究[D];合肥工业大学;2009年

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本文编号：823387