移动操作机器人多楼层自主导航技术与系统研究
发布时间：2021-08-09 08:00
随着我国城镇化建设的推进,城市人口数量显著增加,其中楼宇则是大多数身处城市的人们日常工作与生活的场所,因此服务机器人在楼宇场景下有着巨大的应用空间,而机器人在楼宇内的多楼层自主导航功能则是这类服务机器人应用的基础。为了让机器人能够在楼宇内进行多楼层大范围活动,本文设计了移动操作机器人的自主导航系统并对其中的导航过程环境状态检测及电梯按键检测与操作技术展开研究,让机器人在无需改造楼宇内电梯的前提下,仅依靠自身的传感器与执行器搭乘垂直电梯,实现完全自主的多楼层导航。本文的多楼层导航系统面向移动操作机器人,一共有五部分构成,分别为任务规划、移动平台导航、机械臂操作、环境状态检测以及机器人硬件。其中任务规划模块采用人工设计的状态机对系统资源进行调度。导航模块基于传统的单地图导航框架针对多楼层导航任务进行改进,在实现单楼层导航的基础上,通过选取楼层间的空间一致特征点,采用粒子群优化算法对齐多楼层地图,并利用多路复用机制完成地图的切换,解决了机器人在多楼层地图间的转换问题。机械臂操作部分负责检测电梯面板按键进而实现操作,本文基于字符宽度变换对电梯面板图像进行了候选区域提取,并根据电梯按键的空间与几...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
我国65岁以上人口数变化趋势
要机器人能够在楼宇内进行跨楼层的大范围导航。根据调研，目前市场上也有许多机器人企业针对上述应用需求开发出了能够进行多楼层导航的服务机器人，并且已经在酒店、写字楼等公共场所落地应用。针对机器人的跨楼层问题，这类解决方案对楼宇内电梯的电气设备进行了改装，让机器人能够通过射频与电梯连接并收发指令信息，实现机器人对电梯的运行状态获取与控制。虽然这类方法能够解决机器人乘梯问题，但是由于需要对楼宇设备进行改装，一定程度上也限制了其面向个人消费者与大范围的推广。a)文件递送b)迎宾接待c)行李搬运图1-2楼宇内服务机器人应用示意图然而要实现机器人在楼宇内多楼层的自主导航，除了需要考虑其自主乘梯问题，还需要考虑楼宇场景的非结构化、动态与复杂性。尤其是楼宇中往往存在大量的人类活动，机器人在运动过程中还需要保证人类的安全，这要求机器人能够对周围环境进行良好的感知。同时对于仅依赖机器人自身设备的自主多楼层导航任务，机器人各个设备之间的统筹与调度也对机器人实际导航的稳定与可靠性起到关键作用。因此可以总结出机器人在楼宇内全自主导航需要解决的几个关键子问题：1.机器人如何自主操作与搭乘未经改装的电梯；2.导航过程中如何进行环境的感知并且保证运动的安全；3.如何设计自主导航系统，对机器人设备与功能进行调度。本文主要针对上述问题展开研究，针对机器人在楼宇内的全自主导航问题，设计机器人导航系统，并研究楼宇内导航过程感知与自主乘梯技术，解决机器人在建筑结构已知的未经更改的楼宇环境中的完全自主导航问题。拓展了服务机器人在楼宇环境中的应用范围，有利于服务机器人在实际应用场景中的落地推广。本文所研究的楼宇内多楼层自主导航技术与系统，属于自主无人系统的智能技术的关键问?
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4层地图的构建，考虑到机器人需要搭乘电梯实现跨楼层导航，文中使用了机器人的彩色摄像头对电梯所处楼层进行检测，同时加入激光雷达检测开关门状态，一同控制机器人进出电梯的时机。文中还利用了机器人的彩色摄像头对电梯按键进行检测，并使用机械臂操作按键，进而完成机器人全自主乘梯导航。文献[3]中，针对机器人乘直梯导航问题，同样利用了PR2机器人的彩色摄像头对电梯按键进行快速模板匹配实现检测，完成检测后，使用机器人的小视野结构光深度摄像头获取按键的空间位置，根据检测得到的空间位置，控制机械臂按动电梯。文章中还考虑了机器人的任务流程控制，使用了有限状态机对系统中的硬件与功能进行统筹与协调，进而通过各个组件的协作实现了机器人自主乘梯。a)PR2机器人b)PR2操作电梯面板[3]图1-3PR2机器人搭乘电梯文献[4]设计了一款专门用于旅馆客房服务的移动操作机器人，文中机器人可以实现楼宇内多楼层乘梯导航。该机器人的移动平台由四个电机加麦克纳姆轮实现全向的驱动，移动平台上装配有二维的激光雷达用于楼宇内地图的建立、机器人定位与导航避障。为了实现机器人自主搭乘升降直梯导航，机器人配备有罗技C920的彩色摄像头用于对电梯操作按键的检测，执行机构为多个Dynamixel–AX12A组成的5自由度机械臂，机械臂安装于垂直的电动导轨上，从而实现对不同高度的电梯按键的操作。
【参考文献】：
期刊论文
[1]机器人视觉的电梯轿厢门状态识别系统[J]. 金晓磊,潘鹏. 单片机与嵌入式系统应用. 2018(04)
[2]一种基于视觉识别的按钮自主操作机械手[J]. 黄晶晶,陶卫军,胡洋洋,刘佳耀,丁林祥. 南京理工大学学报. 2017(05)
本文编号：3331691
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
我国65岁以上人口数变化趋势
要机器人能够在楼宇内进行跨楼层的大范围导航。根据调研，目前市场上也有许多机器人企业针对上述应用需求开发出了能够进行多楼层导航的服务机器人，并且已经在酒店、写字楼等公共场所落地应用。针对机器人的跨楼层问题，这类解决方案对楼宇内电梯的电气设备进行了改装，让机器人能够通过射频与电梯连接并收发指令信息，实现机器人对电梯的运行状态获取与控制。虽然这类方法能够解决机器人乘梯问题，但是由于需要对楼宇设备进行改装，一定程度上也限制了其面向个人消费者与大范围的推广。a)文件递送b)迎宾接待c)行李搬运图1-2楼宇内服务机器人应用示意图然而要实现机器人在楼宇内多楼层的自主导航，除了需要考虑其自主乘梯问题，还需要考虑楼宇场景的非结构化、动态与复杂性。尤其是楼宇中往往存在大量的人类活动，机器人在运动过程中还需要保证人类的安全，这要求机器人能够对周围环境进行良好的感知。同时对于仅依赖机器人自身设备的自主多楼层导航任务，机器人各个设备之间的统筹与调度也对机器人实际导航的稳定与可靠性起到关键作用。因此可以总结出机器人在楼宇内全自主导航需要解决的几个关键子问题：1.机器人如何自主操作与搭乘未经改装的电梯；2.导航过程中如何进行环境的感知并且保证运动的安全；3.如何设计自主导航系统，对机器人设备与功能进行调度。本文主要针对上述问题展开研究，针对机器人在楼宇内的全自主导航问题，设计机器人导航系统，并研究楼宇内导航过程感知与自主乘梯技术，解决机器人在建筑结构已知的未经更改的楼宇环境中的完全自主导航问题。拓展了服务机器人在楼宇环境中的应用范围，有利于服务机器人在实际应用场景中的落地推广。本文所研究的楼宇内多楼层自主导航技术与系统，属于自主无人系统的智能技术的关键问?
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4层地图的构建，考虑到机器人需要搭乘电梯实现跨楼层导航，文中使用了机器人的彩色摄像头对电梯所处楼层进行检测，同时加入激光雷达检测开关门状态，一同控制机器人进出电梯的时机。文中还利用了机器人的彩色摄像头对电梯按键进行检测，并使用机械臂操作按键，进而完成机器人全自主乘梯导航。文献[3]中，针对机器人乘直梯导航问题，同样利用了PR2机器人的彩色摄像头对电梯按键进行快速模板匹配实现检测，完成检测后，使用机器人的小视野结构光深度摄像头获取按键的空间位置，根据检测得到的空间位置，控制机械臂按动电梯。文章中还考虑了机器人的任务流程控制，使用了有限状态机对系统中的硬件与功能进行统筹与协调，进而通过各个组件的协作实现了机器人自主乘梯。a)PR2机器人b)PR2操作电梯面板[3]图1-3PR2机器人搭乘电梯文献[4]设计了一款专门用于旅馆客房服务的移动操作机器人，文中机器人可以实现楼宇内多楼层乘梯导航。该机器人的移动平台由四个电机加麦克纳姆轮实现全向的驱动，移动平台上装配有二维的激光雷达用于楼宇内地图的建立、机器人定位与导航避障。为了实现机器人自主搭乘升降直梯导航，机器人配备有罗技C920的彩色摄像头用于对电梯操作按键的检测，执行机构为多个Dynamixel–AX12A组成的5自由度机械臂，机械臂安装于垂直的电动导轨上，从而实现对不同高度的电梯按键的操作。
【参考文献】：
期刊论文
[1]机器人视觉的电梯轿厢门状态识别系统[J]. 金晓磊,潘鹏. 单片机与嵌入式系统应用. 2018(04)
[2]一种基于视觉识别的按钮自主操作机械手[J]. 黄晶晶,陶卫军,胡洋洋,刘佳耀,丁林祥. 南京理工大学学报. 2017(05)
本文编号：3331691
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