基于UWB定位的餐厅服务机器人研究

发布时间：2017-09-28 03:17

  本文关键词：基于UWB定位的餐厅服务机器人研究

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【摘要】：近年来,随着机器人越来越多的渗入到我们的生活中,具有自主感知决策和执行功能的机器人得到了快速的发展,其中室内自主移动机器人成为了机器人研究领域的热点之一。实现室内自主移动机器人的关键点在于实现机器人的定位,这也是最基本、最重要的任务。为了得到高精度、高可靠的机器人室内定位信息,本文以餐厅服务机器人为对象,对室内移动定位技术进行了深入研究,实现了服务机器人在室内的移动定位功能,使得机器人在餐厅的结构化环境下能够自主移动到指定餐桌送餐,并自主返回。本文对移动机器人进行了系统性的整体研究,主要研究工作包括如下方面:1、基于轮式移动机器人的构造和特征,分析了不同轮式移动机器人的机械构造以及优缺点。建立了两轮差速移动机器人的运动学模型,并构建了移动机器人的机械系统及实验平台。2、对轮式移动机器人的环境感知技术进行了研究比较,通过对比目前市场上的不同传感器,确定了本文轮式移动机器人的传感器系统。包括工业红外障碍物传感器、超声波避障传感器的机器人外传感器以及采用加速度计陀螺仪的机器人内传感器。3、深入研究了移动机器人的室内定位技术,提出了一种基于超宽带(UWB,Ultra-WideBand)技术的室内无线定位系统。此系统充分利用超宽带信号的时间超分辨性、高穿透性等优点,采用基于接收信号时间法(TOA)来得到距离值,再通过圆周定位算法解算出移动机器人的位置坐标,实现了移动机器人在餐厅内的实时定位。由于通过接收时间转换得到的距离值存在一定的误差,本文采用卡尔曼滤波进行优化,实现了高精度的定位值。4、本文设计了上位机的定位系统以及机器人调度软件,采用C++Bulider编写上位机软件,通过WIFI与下位机软件进行数据传输通信,从而发布移动机器人的运动控制以及任务指示。设计了基于STM32的下位机机器人运动控制系统。以STM32为核心的下位机系统能够实时的接收机器人外传感器的信号,以及机器人自身的位姿状态,反馈回上位机系统进行实时的控制以及调度。本论文设计构造了餐厅服务机器人的研究平台,通过对室内定位技术等方面的研究,实现的定位算法经过大量的实验验证,具有很高的可靠性和高精度,对室内环境下移动机器人的研究提供了一定的参考价值。
【关键词】：轮式餐厅服务机器人 UWB定位 TOA STM32
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242;TN925
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 课题研究背景及意义8-9
• 1.2 国内外室内服务移动机器人研究现状9-13
• 1.2.1 国外室内服务机器人研究现状9-11
• 1.2.2 国内室内服务机器人研究现状11-13
• 1.3 室内服务移动机器人定位技术概述13-15
• 1.3.1 相对定位13-14
• 1.3.2 无线定位14-15
• 1.4 论文研究内容及组织结构15-16
• 第2章 餐厅服务机器人结构设计及实验平台搭建16-30
• 2.1 餐厅服务机器人系统平台16-18
• 2.1.1 送餐机器人的运动机构概述17-18
• 2.1.2 餐厅服务机器人机械系统18
• 2.2 餐厅服务机器人运动学建模18-21
• 2.2.1 餐厅服务机器人坐标系模型19-20
• 2.2.2 餐厅服务机器人运动学模型20-21
• 2.3 轮式移动机器人的轨迹跟踪实验仿真21-26
• 2.3.1 问题的描述21-22
• 2.3.2 控制律设计22-23
• 2.3.3 实验仿真结果23-26
• 2.4 传感器系统26-29
• 2.4.1 障碍物检测传感器26-27
• 2.4.2 超声波传感器27
• 2.4.3 里程计及陀螺仪27-28
• 2.4.4 主控制电路板28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第3章 基于UWB的室内定位研究30-47
• 3.1 引言30-31
• 3.2 UWB定位技术31-39
• 3.2.1 UWB技术概述31-33
• 3.2.2 UWB定位方法33-37
• 3.2.3 无线定位误差来源37-39
• 3.3 基于卡尔曼滤波的TOA测距优化39-43
• 3.3.1 卡尔曼滤波39-40
• 3.3.2 卡尔曼滤波基本方程40-41
• 3.3.3 实验仿真41-43
• 3.4 坐标位置解算43-46
• 3.4.1 最小二乘法43-44
• 3.4.2 机器人行走实验44-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第4章 餐厅服务机器人系统设计47-58
• 4.1 餐厅服务机器人整体系统概述47-48
• 4.2 餐厅服务机器人软件系统设计48-57
• 4.2.1 上位机软件系统设计48-49
• 4.2.2 上位位机软件49-50
• 4.2.3 UDP和TCP50-51
• 4.2.4 下位机软件设计51-57
• 4.3 本章总结57-58
• 第5章 总结与展望58-59
• 5.1 本文工作总结58
• 5.2 未来工作展望58-59
• 参考文献59-62
• 攻读学位期间取得的研究成果62-63
• 致谢63

【参考文献】

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本文编号：933507