自主导航机器人平台的研究与实现

发布时间：2020-11-13 15:16

　　 我国的人口老龄化问题不断突出,给社会各方面都带来很大的影响。机器人在缓解人口老龄化问题中发挥着重要作用。随着人工智能技术的发展,智能机器人技术的研究不断深入。自主导航技术作为智能机器人技术的基础和核心,已成为科学研究的热点。很多行业都推出了替代人类工作的专用智能机器人,但是目前市场上缺少可以集合各类功能并且能够进行自主导航测试的移动开发平台。故此本文设计了一款具备自主导航能力的机器人平台,该平台可以进行自主导航算法测试,能够通过搭载不同设备进行功能扩展。研究了实现自主导航的构图定位算法、路径规划算法以及控制算法,针对算法中存在的缺陷进行了优化改进与测试分析,提升了机器人平台的自主导航性能。具体的研究与实现过程如下:第一、根据性能需求设计了自主导航机器人平台的整体框架,包括机械结构、硬件平台、软件系统三个部分。从行驶结构、驱动方式、硬件规格三个方面分析设计了机械结构;根据性能需求和机械结构,对硬件平台的器件电路进行了分析设计;针对自主导航需求,对软件系统中的驱动软件和算法软件的结构进行了分析设计,从而完成自主导航移动平台的框架搭建。第二、对自主导航前半部分的构图定位算法进行研究。梳理了SLAM算法的系统流程和概率模型,对比分析了基于卡尔曼滤波理论的SLAM算法和基于粒子滤波理论的SLAM算法的优缺点,在此基础上对集合两种算法优点的Fast SLAM算法进行深入研究。针对该算法存在的计算量大、粒子匮乏的问题,引入了新的重采样策略,并通过仿真测试分析改进算法的有效性。第三、对自主导航后半部分的规划控制算法进行研究。对路径规划中的地图环境和自由度进行确定,分析比较了全局路径规划中迪杰斯特拉算法和A*算法,局部路径规划中的人工势场法和动态窗口法。根据Matlab的算法仿真效果确定平台的规划算法,并对A*算法中存在的缺陷进行改进。最后根据平台控制实时性要求,对采用的PID算法进行分析,通过仿真软件对关键参数进行了调节。第四、对移动平台进行实现和测试分析。根据设计框架进行硬件制作并对驱动软件和算法软件进行程序编写,然后在ROS框架下进行系统运行。之后进行实际场景的地图构建以及路径规划控制算法的性能测试,并对测试结果进行分析研究,设计的机器人平台可以进行自主导航,并且改进的构图定位算法精度更加精确,路径规划长度更短,完成了研究目的。
【学位单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

第 1 章 绪论国外对 AGV 车的研究取得了非常大的突破。德国 KUKA 公司研发设计的 MobilePlatforms 智能移动运输平台,可以灵活的在工厂进行移动，并且可以在狭小的空间内进行工作。美国亚马逊 2012 收购的 KivaSystem 公司研发的 Kiva 机器人可以实现货物的自动识别和分拣，配合物流管理系统，利用该机器人能够更高效的完成货物分类和搬运，极大的节约了人力成本。综合以上调查，国外对于移动机器人的研究逐步迭代，并且成果丰富，目前还在不断研究推进。下图为目前国外研发的一些典型移动机器人。

类型 全向轮 麦克纳姆轮结构轮毂上均匀分布辊子构成，辊子径向和轮毂经向垂直。轮毂的框架下嵌入辊子，辊子轴和轮毂轴呈现 45 度角。安装实现全向移动轮毂安装角度必须是：60、90、120 度的角度。实现全向转动，轮毂可安装在平行的轴线上。优点 可实现原地转动，价格较低很强灵活性和机动性，能够在无半径的情况下任意角度旋转。荷载量大缺点 对行走地面要求高、承重能力差 行走速度慢适用场景 机器人、货用车、 货用搬用通过上表的性能分析，全向轮的价格低但载荷量比较小，并且对轮子的安装角度有方向设定要求，而麦克纳姆轮的荷载量大，并且安装简单和平时的安装位置角度一致。因此麦克纳姆轮可扩展性更好以及应用场景更广，因此硬件平台轮子选择麦克纳姆轮。下图展示麦克纳姆轮和全向轮的结构和实物图。

类型 全向轮 麦克纳姆轮结构轮毂上均匀分布辊子构成，辊子径向和轮毂经向垂直。轮毂的框架下嵌入辊子，辊子轴和轮毂轴呈现 45 度角。安装实现全向移动轮毂安装角度必须是：60、90、120 度的角度。实现全向转动，轮毂可安装在平行的轴线上。优点 可实现原地转动，价格较低很强灵活性和机动性，能够在无半径的情况下任意角度旋转。荷载量大缺点 对行走地面要求高、承重能力差 行走速度慢适用场景 机器人、货用车、 货用搬用通过上表的性能分析，全向轮的价格低但载荷量比较小，并且对轮子的安装角度有方向设定要求，而麦克纳姆轮的荷载量大，并且安装简单和平时的安装位置角度一致。因此麦克纳姆轮可扩展性更好以及应用场景更广，因此硬件平台轮子选择麦克纳姆轮。下图展示麦克纳姆轮和全向轮的结构和实物图。
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本文编号：2882326