基于超声波测距的室内移动机器人自主导航技术研究

发布时间：2019-07-27 10:56

【摘要】：随着科学技术的发展及人们生活水平的提高,室内移动机器人取得了快速的发展及广泛的应用。自主导航技术是室内移动机器人的最基本也是最重要的一项技术,是完成其他智能化任务的前提。为了实现室内移动机器人应用的普及化,研究一种高精度、低成本的机器人导航系统有着重要的意义,相对于其他传感器,超声波传感器具有定位精度高、低成本等优势,同时也具有定位范围较小的缺点。因此本课题研究了较大范围下利用超声波传感器进行高精度定位的方法,并在此基础上进行了路径规划算法的研究,最终实现了室内移动机器人的自主导航。首先,分析了超声波传感器定位的基本原理,针对其定位范围小,设计了环绕式超声波模块并且通过动态测量改进超声波定位算法。建立双重扩展卡尔曼滤波模型将改进超声波算法定位数据与基于编码器的航位推算定位数据进行融合以得到最优位姿,并且通过matlab仿真验证了本文定位算法的在保证定位精度的前提下大大扩大了移动机器人的定位范围。其次,采用栅格法描述地图,提出了一种基于改进A*算法全局路径规划与基于模糊控制局部路径规划相结合的算法。在matlab环境下对A*算法及改进A*算法进行对比验证,结果表明改进后的A*算法转折次数减少并且效率明显提高,有利于移动机器人导航的实时控制,建立了基于模糊控制的局部路径规划系统,通过仿真验证了移动机器人局部避障的可行性。最后进行了基于改进A*与基于模糊控制路径规划结合算法仿真,结果表明该算法能够高效规划出较为平滑的路径并且能够实现移动机器人局部避障。再次,进行了移动机器人的硬件部分的搭建以及程序的设计,硬件部分包括超声波定位系统的硬件搭建、基于下位机主控的硬件搭建;软件部分包括发射控制器、接收控制器程序设计、基于下位机传感器读取及电机控制程序的设计、最终完成了导航系统主控程序的设计。最后,通过实验验证本文基于超声波传感器的定位及路径规划算法。结果表明本文算法扩大了超声波传感器的定位范围且定位精度小于10cm能够满足室内定位的要求,并能够实现机器人实时导航及局部避障。
【图文】：

美国的机器人研制水平在国际上一直处于领先地位，其生产出来的机器仅先进、技术水平高、并且实用价值很高。iRobot 作为美国机器人产业发成功的企业之一，在家用机器人、医疗机器人、教育机器人等行业都有很的产品[5]。仅在家用清洁机器人产品上，在 2013 年销售量就突破 1000 万台机器人史上的服务类清洁机器人的最好销售成绩。如图 1-1 所示，是由美制的治疗中风的机器人已经在很多医院开始使用，其具有能通过网络与异医生通讯的功能，并且网络另一端的医生可以对机器人远程操控。日本对器人的研制也是非常重视，一直用长远的眼光看待机器人产业并且大力支持005 年日本机器人占世界拥有量的 40%，约有 37 万个机器人在使用。由于经济低迷的影响，至 2012 年，，投入使用的机器人数量下降至31.5万台但仍界拥有量的 30%。据日本机器人的工业会预计，到 2020 年，日本机器人值将达到 2.75 万亿日元[6]。如图 1-2 所示，为日本“AR”系列的家务帮手类人，它共有 5 台照相机用来确定周围环境的具体位置。早期研制的“AR”系器人无法识别形状不规则的物体，最新的“AR”机器人能识别衣物上的不规皱并进行区分，启动洗衣的程序。除此之外，“AR”机器人在拖地时，还可开桌边的椅子，将桌子下的地面清扫干净并在打扫完成后将椅子放回原处

基于超声波测距的室内移动机器人自主导航技术研究

美国的机器人研制水平在国际上一直处于领先地位，其生产出来的机器仅先进、技术水平高、并且实用价值很高。iRobot 作为美国机器人产业发成功的企业之一，在家用机器人、医疗机器人、教育机器人等行业都有很的产品[5]。仅在家用清洁机器人产品上，在 2013 年销售量就突破 1000 万台机器人史上的服务类清洁机器人的最好销售成绩。如图 1-1 所示，是由美制的治疗中风的机器人已经在很多医院开始使用，其具有能通过网络与异医生通讯的功能，并且网络另一端的医生可以对机器人远程操控。日本对器人的研制也是非常重视，一直用长远的眼光看待机器人产业并且大力支持005 年日本机器人占世界拥有量的 40%，约有 37 万个机器人在使用。由于经济低迷的影响，至 2012 年，投入使用的机器人数量下降至31.5万台但仍界拥有量的 30%。据日本机器人的工业会预计，到 2020 年，日本机器人值将达到 2.75 万亿日元[6]。如图 1-2 所示，为日本“AR”系列的家务帮手类人，它共有 5 台照相机用来确定周围环境的具体位置。早期研制的“AR”系器人无法识别形状不规则的物体，最新的“AR”机器人能识别衣物上的不规皱并进行区分，启动洗衣的程序。除此之外，“AR”机器人在拖地时，还可开桌边的椅子，将桌子下的地面清扫干净并在打扫完成后将椅子放回原处
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242

【参考文献】